SolidWorks和COSMOS在車載天饋系統中的應用

2013-05-02 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

用 SolidWorks&COSMOS設計更好的車載天饋系統

廣州靈匯通信技術有限公司徐建

廣州生信科技發展有限公司吳書鵬

摘要:車載衛星天饋系統用于移動通信平臺交換衛星信號,為了保證天饋系統在各種工況下的可靠運行并提高設計效率,我們采取了SolidWorks&COSMOS的解決方案。由于裝載車輛的不同,需要天饋系統有不同的變型產品,產生了不少系列零件、借用零件,利用PDMWorks系統可以對文件的版本、屬性、權限等作周全的管理,避免設計資料的丟失與錯誤引用。為了保證天饋系統的可靠性,采用了COSMOS進行強度分析、優化和空氣動力學分析。

衛星通信車是現代高科技通信技術的集中體現。它無需借助任何現有地面通信網絡,可以在任何場合建立快速和有效的通信鏈路,提供現場圖像、數據和語音的全方位服務。

車載衛星天饋系統是衛星通信車的核心部分。由于車載衛星天饋系統的運用場合特殊,它除了在通信方面要求能夠接收和發送衛星信號外,機械性能方面要求捕獲信號時間短,結構堅固、重量輕,整體防水、防塵,展開速度快,可自動展開和收攏,專為車載設計,適合于中、小型車輛上裝載。為了解決傳統天饋系統機械傳動機構復雜、傳動效率低的缺點。我們采用了鋼絲繩傳動方案,大大減輕了機構重量,提高了傳動效率。要將方案轉換為產品,我們需要一個系統化的設計平臺,因此我們選擇了SolidWorks。以下便是SolidWorks在1.8米Ku波段天饋系統設計過程中的具體應用。

1 三維設計

相對于傳統的兩維設計,SolidWorks三維設計最大的特點是功能強大、使用方便高效。SolidWorks三維設計可以分為零件設計、虛擬裝配、工程圖三個不同的設計階段。設計過程的全相關性特點,使得設計者在任何階段對設計的修改都會自動更新其他階段,設計過程變得非常靈活和輕松,大大提高了設計效率。

在早期設計階段,我們利用了SolidWorks的草圖塊功能進行方案的比選。從單個或多個草圖實體生成塊。有了塊,可快速開發機械裝置和連桿的概念模型。這些模型最終包括繞軸轉動、滑動、或旋轉的數個零件。以布局草圖設計機械裝置可以讓設計師可快速靈活的進行多方案比選。

利用三維零件模型設計者可以實現產品的虛擬裝配。利用裝配體可以進行產品結構驗證,分析設計的不足以及查找設計中的錯誤。例如,進行干涉檢查,查找裝配體中存在的設計錯誤;產品的統計和計算。例如,計算產品總質量、統計產品中的零件類型和零件數量;生成產品的爆炸圖和動畫模擬,演示產品的裝配過程或維修過程;利用PhotoWorks和Animator生成產品的真實效果圖,提供“概念產品”。

2 產品數據管理——PDMWORKS

由于裝載車輛和用戶需求的不同,天饋系統需要根據實際情況不斷的改型。并且在1.8米天饋的基礎上我們衍生出了0.8米、1.2米、2.4米等系列產品。隨著產品線的豐富,數據文件越來越多,在產品數據管理方面很多企業都會遇到難題。

我們采用了SolidWorks的PDMWorks Workgroup作為我們產品數據管理的解決方案。PDMWorks Workgroup為工作組提供了一個經濟實惠、快速實施和易于使用的,以完全集成于SolidWorks的數據管理解決方案,能夠滿足用戶大部分公用數據的管理任務。

PDMWorks workgroup 通過電子倉庫提供了保護文件的有效方法,電子倉庫是存儲共享項目文件的簡單而又高度安全的系統。電子倉庫使設計團隊成員可以系統地共享文件,一個文件只允許一個用戶同時檢入/檢出電子倉庫,以而避免團隊成員意外覆蓋文件或者在錯誤的文件版本上浪費時間。PDMWorks workgroup 在標準網絡環境(通過常見的網絡文件夾共享文件)之上又提供了額外的安全性級別。利用 PDMWorks workgroup,訪問庫中的信息只有通過為工作組創建的管理控件而設計的用戶界面來進行才有可能。PDMWorks workgroup 庫與普通的網絡或本地文件夾不同,它可以保護設計信息不會遭受未經授權的訪問以及意外覆蓋和刪除。

3.產品設計驗證和優化-COSMOS

COSMOS是一個與 SolidWorks完全集成的完備的設計驗證和優化系統。COSMOS 提供了單一屏幕多學科解決方案來進行結構強度分析、運動學分析和流體動力學性能分析。由于兩者的高集成性,使得COSMOS可以直接運用SolidWorks模型進行分析,不存在格式轉換的問題,使得產品設計者在產品設計階段就能進行產品驗證和優化,可以說COSMOS將高高在上的CAE技術帶入到了一個新的時代。

3.1 1.8米Ku波段天饋系統安裝底座的結果強度分析

天饋安裝底座將天饋與車體相互連接,它的強度直接關系著天饋系統的安全,因此需要一定的強度。考慮到車體的承載,整個天饋系統需要控制在200KG以內,所以對于每個組件都有必要進行質量方面的優化設計。

邊界條件:安裝底座的底框通過螺栓與車頂加強結構固定連接。頂框天饋安裝面受到天饋的重力,考慮到天饋重心的偏置我們采用了遠程載荷。以安裝座地面中點為坐標原點建立參考坐標系,測出天饋重心X:-540mm Y:-3mm Z:398mm,天饋重量1765N。其受力情況如圖:

分析結果:COSMOSWorks提供了應力、應變、位移等解。由應力圖解得出最大vonMises應力為4.628e7 N/m^2,安全系數: FOS=σ0.2/σvonMises=7.58e^8 N/m^2/4.628e7 N/m^2=14> 2.5。顯然設計過于保守,需要進行優化。

3.2 優化分析

3.2.1優化目標:本案設定減小質量為目標 ;

3.2.2設計變量:設計變量為模型中的參數。在這里我們定義模型中可以改變的尺寸槽形件的寬度。

3.2.3約束條件:以許用應力為約束條件。

通過優化計算,顯示最終設計和初始設計,槽形件寬度由250mm減至46.755mm。我們取整數50mm作為我們最終設計參數。底座重量由8.7kg減輕至7.3kg。

顯示優化后的應力分布圖解,最大vonMises應力為2.315e8 N/m^2,FOS=σ0.2/σvonMise s=7.58e^8 N/m^2/2.315e8 N/m^2=2.7>2.5 通過對各組件的優化設計,整個天饋系統由初始設計時的220kg減輕至186kg,總體重量減輕15%,大大減少了車體的負擔。

3.3風載的空氣動力學模擬仿真。

采用COSMOSFlowWorks直接對天饋產品進行模擬

4 結束語

SolidWorks將CAD、CAE、PDM等先進設計手段集于一身,為我們提供了一個完善的產品設計平臺,解決了車載天饋系統設計中的一些難題。SolidWorks提高了我們的設計水平,保證了設計質量,縮短了設計周期30%以上,大大減輕了我們企業的研發成本。如今我們的產品已成功運用于公安、國防、民用通信等領域。另外,考慮到企業級的PDM應用,可以考慮將現有的PDMWorks WorkGroup 升級到 PDMWorks Enterprise。

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