ARAMETERIZATION OF FINITE ELEMENT MODEL FOR DETERMINING WIND RESISTANCE OF ANTENNA SYSTEM REFLECTOR

ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕТРОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ

Научная статья

Дерягин М.В.¹, Василовский М.А.^2, *, Колбасина Н.А.³

^{1, 2, 3} Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия

* Корреспондирующий автор (example[at]mail.ru)

Аннотация

В статье описаны основные этапы создания параметрической конечно-элементной модели для определения силового воздействия на параболический отражатель антенной системы стационарного базирования со стороны набегающего воздушного потока. Автоматизирован процесс гидрогазодинамического расчета при изменяемом угле атаки, определяемом позиционированием антенной системы в пространстве. В работе описана технология задания входного и выходного потоков переменных для реализации параметризированного конечно-элементного расчета.

Ключевые слова: конечно-элементный анализ, параметризация, гидродинамический расчет.

ARAMETERIZATION OF FINITE ELEMENT MODEL FOR DETERMINING WIND RESISTANCE OF ANTENNA SYSTEM REFLECTOR

Research article

Deryagin M.V.¹, Vasilovsky M.A.^2, *, Kolbasina N.A.³

^{1, 2, 3} Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia

* Corresponding author (example[at]mail.ru)

Abstract

The article describes the main stages of creating a parameterization finite element model for determining the force effect on a parabolic reflector of a stationary-based antenna system from the oncoming air flow. The process of hydro-gas-dynamic calculation is automated at a variable angle of attack determined by the positioning of the antenna system in space. The paper describes the technology of specifying the input and output variable flows for the implementation of a parameterization finite element calculation.

Keywords: finite element analysis, parameterization, hydrodynamic calculation.

Введение

При расчете и проектировании антенных систем стационарного базирования необходимо учитывать количество степеней свободы многозвенной конструкции, обеспечивающих изменение положения отражателя в пространстве и взаимное положение элементов конструкции относительно друг друга. При оценке прочности и жесткости основания антенной системы рассматриваются различные источники силового воздействия. Одним из наиболее существенных источников является воздействие набегающего ветрового потока, который может привести как к деформации самого рефлектора, с последующей потерей мощности сигнала, так и повлиять на точность наведения антенной системы, за счет деформации элементов опорно-поворотного устройства [1]. При этом необходимо учитывать, что величина подобного воздействия изменяется в зависимости от положения элементов конструкции антенной системы и особенно рефлектора как самого большого из них по площади относительно набегающего воздушного потока.

При проектировании антенных систем стационарного базирования, как правило, реализуется одна или две степени свободы рефлектора с изменением угла по азимуту и угла места.

С учетом того, что геометрия параболоида симметрична относительно его оси, при определении ветрового давления существенным является определение угла между вектором скорости набегающего воздушного потока и осью параболоида. В данном случае вектор силы, действующий на параболоид, лежит в плоскости, образуемой векторами скорости ветра и оси параболоида. Зная в любой момент положения рефлектора антенной системы в пространстве и направление ветрового потока, можно определить аэродинамические силы, используя значения аэродинамических коэффициентов, полученных при круговом обдуве отражателя [2].

В настоящее время аэродинамические коэффициенты целесообразнее определять с помощью конечно-элементных расчетов, имитирующих обтекание объектов воздушным или водным потоком.

Использование конечно-элементных расчетов, моделирующих течение газа, позволяет определить значение ветровых нагрузок на исследуемый объект. Полученные результаты могут служить в качестве исходных данных для определения жесткости конструкции антенной системы. Данный подход используется на этапе проектирования для прогнозирования эксплуатационных свойств конструкции.

Сила, действующая на обдуваемый объект зависит от скорости ветрового потока, геометрических параметров объекта и угла атаки набегающего потока. В данной работе в качестве объекта рассматривается рефлектор антенной системы наземного базирования с одной вращательной степенью свободы. Ориентация отражателя относительно вектора скорости набегающего потока определяет угол атаки.  Ниже представлена формула определения сопротивления ветровому потоку:

   (1)

где C – аэродинамический коэффициент, ρ – плотность среды, V – скорость ветрового потока, S – характерная площадь.

Аэродинамический коэффициент зависит от формы обтекаемого тела и его ориентации относительно вектора скорости.

Звенья антенной системы, базирующейся на движущемся объекте, находятся в постоянном движении для сохранения точности фокусировки, что меняет и положение отражателя в пространстве. В каждом положении рефлектор испытывает различные значения ветровой нагрузки. Выполнение конечно-элементного расчета для этих состояний вручную превращается в рутинную задачу, требующую больших временных затрат и постоянного контроля на этапе перестроения модели при изменении параметров расчёта. Существенно сократить время позволит параметризация расчёта с автоматизированным изменением положения отражателя в пространстве.

Для конечно-элементного расчёта применен программный продукт ANSYS, в частности пакет CFX, моделирующий течение жидкости/газа.

Для создания конечно-элементной модели необходимо выполнить следующие этапы:

1. создать геометрическую модель системы;
2. сгенерировать конечно-элементную сетку;
3. задать нагрузки, граничные условия и параметры среды;
4. задать параметры анализа с учётом требуемой точности расчёта.

Созданная геометрическая модель среды и отражателя антенной системы представлена ниже (см. рисунок 1). Рабочее тело расчётной модели – воздух, обтекающий поверхность рефлектора антенной системы. Пространство модели ограничено стенками, на которых задаются граничные условия. Изменение положения рефлектора в пространстве модели позволяет задать угол обдува.

 

Рис. 1 – Геометрическая модель задачи

Далее необходимо сгенерировать сетку требуемой плотности. Далее представлена созданная конечно-элементная модель (cм. рисунок 2).

Рис. 2 – Структура конечно-элементной сетки в области рефлектора

 

Плотность сетки вблизи рефлектора максимальна, к границам расчётной области сетка становится более редкой, что позволяет уменьшить время расчёта.

На следующем этапе задаются поверхности входа и выхода ветрового потока, граничные условия, включая условия прилипания на границах рефлектора, скорость ветрового потока, параметры среды, модели турбулентности.

При задании анализа учитываем требуемую точность расчёта. Необходимо учитывать, что при больших углах атаки может потребоваться существенное увеличение итерации при расчёте, в случае если этот параметр задается в ручную следует выбирать большие значения. Однако необходимо учитывать, что это увеличит время расчёта.

Ниже представлено полученное в результате расчёта распределение давления (см. рисунок 3).

Рис. 3 – Распределение давления

 

Для автоматизации процесса расчёта при изменении положения рефлектора в пространстве используем возможности параметрического задания элементов расчётной модели. В частности, в данном случае параметризируется угол поворота рефлектора относительно своей оси.

При необходимости мы можем параметризировать несколько параметров, например скорость набегающего потока. При параметризации перед расчётом необходимо создать переменные (как входные, так и выходные).

Входным параметром является угол поворота отражателя, который задается, как представлено далее (см. рисунок 4).

Рис. 4 – Создание входного параметра

 

Выходными параметрами являются полученные силы и рассчитанные по формуле 1 аэродинамические коэффициенты.

После этого необходимо использовать компонент «Response surface», в котором можно создавать/редактировать шаги расчёта. Ниже представлена таблица параметризации расчетов (см. рисунок 5). Также представлены результаты расчетов.

Рис. 5 – Таблица параметризации

 

В результате данного анализа было получено 90 шагов (от 0 до 90°). При этом определены силы и моменты сопротивления рефлектора ветровому потоку по осям, а также получены аэродинамические коэффициенты.  Было принято решение выбрать шаг такой размерности, т.к. это позволит точнее интерполировать данные при других углах поворота отражателя.

Далее представлен график зависимости значений аэродинамических коэффициентов от угла поворота (см. рисунок 6).

Рис. 5 – Таблица параметризации

 

Заключение

Использование параметризированной расчётной конечно-элементной модели позволяет сократить время подготовки к расчету и самого расчёта, даёт возможность удобного контроля полученных данных.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Кузин Д. В. Анализ влияния ветрового воздействия на опорно-поворотное устройство антенного модуля миллиметрового диапазона / Д.В. Кузин, М. В. Дерягин, М. Г. Гришечкина// Системы связи и радионавигации: сб. тезисов / науч. ред. В. Ф. Шабанов; отв. за вып. Г.П. Лопардина. – Красноярск: АО «НПП «Радиосвязь» – С. 131-134.
2. Жуков Н. П. Гидрогазодинамика: учебное пособие / Н.П. Жуков. –Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 92 с.
3. Денисов М. А. КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ. ANSYS: [учебное пособие] / М. А. Денисов Екатеринбург : Изд-во Урал, ун-та, 2014. - 77 с.
4. Каплун А. Б. ANSYS в руках инженера: практическое руковод-ство. / Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А.; Издательство: Едито-риал УРСС (Москва, 2003).
5. Константин Басов. Ansys в примерах и задачах. / Константин Басов - М.: Машиностроение, 2002. - 224 с.
6. Чигарев А. В., ANSYS для инженеров: справ. Пособие / А.В. Чигарев.- М.: Машиностроение-1, 2004. - С. 512
7. Бруяка В. А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: Учебное пособие. / В. А. Бруяка, В. Г. Фокин. ‒ Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. ‒ Т.1. - 271 с.
8. Фрик П. Г. Турбулентность: модели и подходы, часть 1. / Фрик П.Г. – Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1998. 108 с.
9. Кулагин, В. А. Гидрогазодинамика [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие /В. А. Кулагин, Е. П. Грищенко. – Электрон. дан. (6 Мб). – Красноярск: ИПК СФУ, 2009.
10. Сергель О. С. Прикладная гидрогазодинамика: учебник для авиационных вузов. / О. С. Сергель , 1981. – 374 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kuzin D.V. Analiz vliyaniya vetrovogo vozdeistviya na oporno-povorotnoe ustroystvo antennogo modulya millimetrovogo diapazona [Analysis of Impact of Wind Exposure on Turntable of Millimeter-wave Antenna Module] // D.V. Kuzin, M. V. Deryagin, M. G. Grishechkina // [Communication and radio navigation systems: Collection of articles. Abstracts] / ed. by V.F. Shabanov; resp. G.P. Lopardina. – Krasnoyarsk: Radiocommunication Scientific-Production Company JSC – P. 131-134. [In Russian]
2. Zhukov N. P. Gidrogazodinamika: uchebnoye posobiye [Hydrogasdynamics: study guide] / N.P. Zhukov. – Tambov: TSTU Publishing house, 2011. – 92 p. [In Russian]
3. Denisov M. А. KOMP'YUTERNOYE PROYEKTIROVANIYE. ANSYS: [uchebnoye posobiye] [ANSYSCOMPUTER DESIGN. ANSYS: [study guide] / M.A. Denisov Ekaterinburg: Ural Publishing House, University, 2014. – 77 p. [In Russian]
4. Kaplun A. B. ANSYS v rukakh inzhenera: prakticheskoye rukovod-stvo [ANSYS in the hands of an engineer: practical guidance] / Kaplun AB, Morozov EM, Olferyeva MA; Publisher: Edito-rial URSS (Moscow, 2003). [In Russian]
5. Konstantin Basov. Ansys v primerakh i zadachakh [Ansys in examples and tasks] / Konstantin Basov – M.: Mashinostroenie, 2002. – 224 p. [In Russian]
6. Chigarev A.V. ANSYS dlya inzhenerov: sprav. Posobiye [ANSYS for engineers: ref. Manual] / A.V. Chigarev. – M.: Mashinostroenie-1, 2004. – p. 512 [In Russian]
7. Bruyaka V. А. Inzhenernyy analiz v ANSYS Workbench: Uchebnoye posobiye [Engineering Analysis at ANSYS Workbench: Study Guide] / V. A. Bruyaka, V. G. Fokin. – Samara: Samar. state tech. Univ., 2010. – V.1. – 271 p. [In Russian]
8. Frik P. G. Turbulentnost': modeli i podkhody, chast' 1 [Turbulence: Models and Approaches, Part 1] / Frik P.G. – Perm. state tech. un-t Perm, 1998. 108 p. [In Russian]
9. Kulagin V. А. Gidrogazodinamika [Elektronnyy resurs]: elektron. ucheb. posobiye [Hydrogasdynamics [Electronic resource]: electron. studies. allowance / V. A. Kulagin, E. P. Grishchenko. – Electron. Dan. (6 MB) – Krasnoyarsk: IPK SFU, 2009. [In Russian]
10. Sergegel O.S. Prikladnaya gidrogazodinamika: uchebnik dlya aviatsionnykh vuzov [Applied Fluid Dynamics: a textbook for aviation universities] / O. S. Sergel, 1981. – 374 p. [In Russian]