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[摘 要]科学技术的快速进步，社会经济的不断发展，带动了我国各行各业的壮大，卫星通信行业也不例外，在这种背景下，其得到了更大的发展动力。在卫星通信中，天线是其发射和接收信号的关键设备，对于天线结构而言，合理的设计应该确保在各种环境下，使天线精确地保持形状和姿态。本文主要对天线结构，在运用PRO/ENGINEER技术的基础之上进行的设计进行了论述。
[关键词]天线结构；PRO/ENGINEER技术；三维造型
中图分类号：TN823 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0334-01
前言
天线结构设计分析自成体系的关键是建立设计模型，而计算变形和分析刚强度则是在模型基础之上进行的。传统的设计方法是材料力学简化加深与经验类比设计相结合的方法，但该方式具有保守性，且主要依靠设计人员的经验，致使致使产品重量大，成本高，已经不能满足不断变化的市场要求。随着各种先进计算机辅助设计软件的推广应用，采用功能强大的PRO/ENGINEER技术，对天线结构进行设计分析已成为可能，从而可以大幅度提高设计质量和效率。
一、PRO/ENGINEER建模方法分析
1、板、梁单元的采用
在PRO/ENGINEER中如果采用实体单元，则划分有限元网格所用的时间要比用板单元所用的时间多数十倍甚至更多，而对一些单元划分比较小的复杂零部件，更有可能造成划分失败或计算溢出。因此在不影响计算精度的情况下，尽量采用板、梁单元是科学经济的方法。
2、模型简化
忽略装备或零件中的细节即为模型的简化。因为天线的实际结构具有复杂性，若建立有限元模型，仅仅依据实物的话，这种方法实际上存在不必要性，因为有时这种方式是不可能的。因此，在进行有限元网格划分前，常常将零部件上的一些细节特征做压缩处理。在压缩这些特征之前，必须注意以下几点。
（1）敏感度和优化是否受到压缩特征的影响。如果分析目的是减少质量，那么上面提到的修饰特征就会起到关键作用，一个圆角的半径也许就是优化参数，虽然它只是一个修饰特征，但会显著影响优化分析过程。
（2）模型特性是否受压缩特征的影响会发生改变。我们需要压缩的是修饰特征。这些特征一般包括圆角、棱角、小的槽和定位孔等。切忌在进行所有的分析之前都要考虑特征的压缩。另外，对于模态分析或热分析、可以压缩的特征也许并不适用于强度分析，比如在模态分析中可以忽略那些能够产生应力集中的特征，并且不影响刚度，但在强度分析中就必须考虑这些因素。
（3）特征间的父子关系需重视。如果被压缩的特征是其他关键特征的父特征，那么就必须重新定义父子关系。
3、实体模型
实体模型采用面、薄壁、筋等特征或Sheetmetal来建立。必须在建模初期考虑一个问题，就是前面提到的用板单元进行有限元网格划分比用实体单元更快捷有效。由于Pro/mesh模块能自动抽取由薄壁、筋等特征的中性面生成板单元，从而大大提高有限元网格划分效率，所以应在建模时应多采用这些特征，不然就要在网格划分时进行人工操作，造成时间的浪费。这里特别要注意的是在零件或装配中，无论是等厚度还是变厚度，必须使特征或零件的中性面成为连在一起的整体，否则会造成單元中断。对于零件中变厚度问题，可先将中性面作为第一个特征做出，然后再向两个方向生成薄壁即可。
4、有限元网络布局的合理规划
根据误差分析，单元划分得越小，计算结果精度越高；但另一方面，单元数越多，计算工作量也就越大。换句话说，应力的误差与单元的尺寸成正比，位移的误差与单元的平方成正比。因此，必须根据精度要求确定网格的疏密。一般来说，在边界曲率较大的部位，单元应该小些，在边界曲率比较平缓的部位，单元可大些。在Pro/Mesh中可通过Mesh Control对有限元网格疏密进行控制。
5、对单元形态比进行有效控制
实际上不可能都用理想形状单元去离散形状各异的结构，因此只有注意控制单元的形态，尽量使划分后的网格单元有较好的形态，避免面积很小的尖角元或体积很小的薄元，以提高计算精度。在Pro/ENGINEER中，可在配置文件Pro.config中通过对Fem_asp_ratio、Fem_edge_angle和Fem_taper等变量的修改来控制单元的质量。
二、PRO/ENGINEER结构设计的一般流程
机械产品的传统设计过程，首先是设计方案的制定，然后分析理论，计算其运动学或者动力学特性，然后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程要经过大量的图解计算或分析计算，繁琐而复杂。运用PRO/ENGINEER进行仿真分析，能大大缩短设计周期，其工作流程如图1所示。
1、实现建模参数化分析
建模参数化是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法，采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状，为零件乃至整个产品的自动化驱动更新提供了基础。
2、机构装配过程分析
装配过程就是确定装配体中各组成零件如何连接的过程，零件之间的连接关系即为装配关系。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束，Pro/E在装配中提供了多种连接约束，有销钉、平面、球、轴承等。
3、对机构进行分析
机构分析模块是Pro/E的一个仿真模块，在机构分析中通过伺服电机驱动机构运动，还可以添加运动副、阻尼等来模拟现实中的外部环境，进而分析机构的运动特点。通过仿真分析能够得到机构元件的位置、速度及关键部件的受力情况，从而检查机构的运动能否达到设计要求，并为后面的结构分析提供负荷输出。
4、分析结构强度
当机构分析获得系统静态和动态载荷后，就可以确定其典型工况下的受力情况并进行结构的强度分析。这里主要是应用PRO/MECHANICA STRUCTURE结构分析软件包对其进行结构分析和优化分析，由于理论已经软件化，即使非专业分析工程师也能进行复杂模型的结构分析，大大提高了设计效率，增加产品的安全性。
三、天线结构的三维造型实例分析
天线结构设计中，一个关键的步骤就是反射面的设计，其精度对天线性能产生的影响很大。现在使用PRO/ENGINEER软件，利用其先进的三维曲面造型方法就可以对天线反射面进行三维曲面精确造型，下面利用PRO/ENGINEER软件进行天线抛物面设计的实例分析。
1、天线抛物面的设计
点击工具条上的“插入基本曲线”，在弹出的菜单管理器中选择“从方程”，然后点击“完成”，根据提示选择系统坐标系，然后选择笛卡尔坐标系，在弹出的记事本中写入方程，保存此记事本，点击“确定”，生成曲线，然后选择“曲面拉伸”生成抛物曲面，使焦点与抛物面上下端面的连线形成相同的俯仰角度。用此连线拉伸成的曲面对形成的抛物曲面进行切割。
2、天线面实体设计
利用PRO/ENGINEER建模“加厚”功能将天线面片体加厚成为天线面实体，接着根据天线面的曲线在其背面根据设计要求进行“筋”“肋”等形状的外形设计，这样可以在几分钟内生成天线结构，及准确又快捷。
3、三维立体图的生成
经过PRO/ENGINEER建模后得到的效果图已经能清晰的展现产品的设计，但是还需要PhotoShop对产品最终效果进行全面的处理，像设置图像的饱和度，亮度对比度等细节方面的修改。
参考文献
[1] 曹俊.基于Pro/E的公差分析在天线结构设计中的应用[J].电子机械工程，2013-04-15.
[2] 韩延宁.PO/E软件在天线结构设计中的应用[J].舰船电子对抗，2009-06-25.
[3] 刘荣强；田大可；邓宗全.空间可展开天线结构的研究现状与展望[J].机械设计，2010-09-20.
[关键词]天线结构；PRO/ENGINEER技术；三维造型
中图分类号：TN823 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0334-01
前言
天线结构设计分析自成体系的关键是建立设计模型，而计算变形和分析刚强度则是在模型基础之上进行的。传统的设计方法是材料力学简化加深与经验类比设计相结合的方法，但该方式具有保守性，且主要依靠设计人员的经验，致使致使产品重量大，成本高，已经不能满足不断变化的市场要求。随着各种先进计算机辅助设计软件的推广应用，采用功能强大的PRO/ENGINEER技术，对天线结构进行设计分析已成为可能，从而可以大幅度提高设计质量和效率。
一、PRO/ENGINEER建模方法分析
1、板、梁单元的采用
在PRO/ENGINEER中如果采用实体单元，则划分有限元网格所用的时间要比用板单元所用的时间多数十倍甚至更多，而对一些单元划分比较小的复杂零部件，更有可能造成划分失败或计算溢出。因此在不影响计算精度的情况下，尽量采用板、梁单元是科学经济的方法。
2、模型简化
忽略装备或零件中的细节即为模型的简化。因为天线的实际结构具有复杂性，若建立有限元模型，仅仅依据实物的话，这种方法实际上存在不必要性，因为有时这种方式是不可能的。因此，在进行有限元网格划分前，常常将零部件上的一些细节特征做压缩处理。在压缩这些特征之前，必须注意以下几点。
（1）敏感度和优化是否受到压缩特征的影响。如果分析目的是减少质量，那么上面提到的修饰特征就会起到关键作用，一个圆角的半径也许就是优化参数，虽然它只是一个修饰特征，但会显著影响优化分析过程。
（2）模型特性是否受压缩特征的影响会发生改变。我们需要压缩的是修饰特征。这些特征一般包括圆角、棱角、小的槽和定位孔等。切忌在进行所有的分析之前都要考虑特征的压缩。另外，对于模态分析或热分析、可以压缩的特征也许并不适用于强度分析，比如在模态分析中可以忽略那些能够产生应力集中的特征，并且不影响刚度，但在强度分析中就必须考虑这些因素。
（3）特征间的父子关系需重视。如果被压缩的特征是其他关键特征的父特征，那么就必须重新定义父子关系。
3、实体模型
实体模型采用面、薄壁、筋等特征或Sheetmetal来建立。必须在建模初期考虑一个问题，就是前面提到的用板单元进行有限元网格划分比用实体单元更快捷有效。由于Pro/mesh模块能自动抽取由薄壁、筋等特征的中性面生成板单元，从而大大提高有限元网格划分效率，所以应在建模时应多采用这些特征，不然就要在网格划分时进行人工操作，造成时间的浪费。这里特别要注意的是在零件或装配中，无论是等厚度还是变厚度，必须使特征或零件的中性面成为连在一起的整体，否则会造成單元中断。对于零件中变厚度问题，可先将中性面作为第一个特征做出，然后再向两个方向生成薄壁即可。
4、有限元网络布局的合理规划
根据误差分析，单元划分得越小，计算结果精度越高；但另一方面，单元数越多，计算工作量也就越大。换句话说，应力的误差与单元的尺寸成正比，位移的误差与单元的平方成正比。因此，必须根据精度要求确定网格的疏密。一般来说，在边界曲率较大的部位，单元应该小些，在边界曲率比较平缓的部位，单元可大些。在Pro/Mesh中可通过Mesh Control对有限元网格疏密进行控制。
5、对单元形态比进行有效控制
实际上不可能都用理想形状单元去离散形状各异的结构，因此只有注意控制单元的形态，尽量使划分后的网格单元有较好的形态，避免面积很小的尖角元或体积很小的薄元，以提高计算精度。在Pro/ENGINEER中，可在配置文件Pro.config中通过对Fem_asp_ratio、Fem_edge_angle和Fem_taper等变量的修改来控制单元的质量。
二、PRO/ENGINEER结构设计的一般流程
机械产品的传统设计过程，首先是设计方案的制定，然后分析理论，计算其运动学或者动力学特性，然后再进行优化、强度分析及结构设计等。这个过程要经过大量的图解计算或分析计算，繁琐而复杂。运用PRO/ENGINEER进行仿真分析，能大大缩短设计周期，其工作流程如图1所示。
1、实现建模参数化分析
建模参数化是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法，采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状，为零件乃至整个产品的自动化驱动更新提供了基础。
2、机构装配过程分析
装配过程就是确定装配体中各组成零件如何连接的过程，零件之间的连接关系即为装配关系。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束，Pro/E在装配中提供了多种连接约束，有销钉、平面、球、轴承等。
3、对机构进行分析
机构分析模块是Pro/E的一个仿真模块，在机构分析中通过伺服电机驱动机构运动，还可以添加运动副、阻尼等来模拟现实中的外部环境，进而分析机构的运动特点。通过仿真分析能够得到机构元件的位置、速度及关键部件的受力情况，从而检查机构的运动能否达到设计要求，并为后面的结构分析提供负荷输出。
4、分析结构强度
当机构分析获得系统静态和动态载荷后，就可以确定其典型工况下的受力情况并进行结构的强度分析。这里主要是应用PRO/MECHANICA STRUCTURE结构分析软件包对其进行结构分析和优化分析，由于理论已经软件化，即使非专业分析工程师也能进行复杂模型的结构分析，大大提高了设计效率，增加产品的安全性。
三、天线结构的三维造型实例分析
天线结构设计中，一个关键的步骤就是反射面的设计，其精度对天线性能产生的影响很大。现在使用PRO/ENGINEER软件，利用其先进的三维曲面造型方法就可以对天线反射面进行三维曲面精确造型，下面利用PRO/ENGINEER软件进行天线抛物面设计的实例分析。
1、天线抛物面的设计
点击工具条上的“插入基本曲线”，在弹出的菜单管理器中选择“从方程”，然后点击“完成”，根据提示选择系统坐标系，然后选择笛卡尔坐标系，在弹出的记事本中写入方程，保存此记事本，点击“确定”，生成曲线，然后选择“曲面拉伸”生成抛物曲面，使焦点与抛物面上下端面的连线形成相同的俯仰角度。用此连线拉伸成的曲面对形成的抛物曲面进行切割。
2、天线面实体设计
利用PRO/ENGINEER建模“加厚”功能将天线面片体加厚成为天线面实体，接着根据天线面的曲线在其背面根据设计要求进行“筋”“肋”等形状的外形设计，这样可以在几分钟内生成天线结构，及准确又快捷。
3、三维立体图的生成
经过PRO/ENGINEER建模后得到的效果图已经能清晰的展现产品的设计，但是还需要PhotoShop对产品最终效果进行全面的处理，像设置图像的饱和度，亮度对比度等细节方面的修改。
参考文献
[1] 曹俊.基于Pro/E的公差分析在天线结构设计中的应用[J].电子机械工程，2013-04-15.
[2] 韩延宁.PO/E软件在天线结构设计中的应用[J].舰船电子对抗，2009-06-25.
[3] 刘荣强；田大可；邓宗全.空间可展开天线结构的研究现状与展望[J].机械设计，2010-09-20.