利用ANSYS动力学仿真技术研究行波管结构设计

本文利用ANSYS Wokebench12.0软件对行波管整管结构进行了动力学仿真分析，其中包括模态分析和随机振动分析。对无支架模型和有支架模型进行比较分析，完成了对应力较大部件窗结构的抗振动设计，取得了较好的结果，提高了行波管的可靠性。同时也证明了仿真模型的准确性和所施加的边界条件的合理性，满足工程要求，为行波管设计人员提供了有效地参考数据。

1 引言

行波管的应用特殊性、不可维修性以及卫星造价的昂贵，使得我们对它的各方面研究，特别是对动力学可靠性性能研究是至关重要的。由于行波管应用环境的恶劣，包括随机振动、正弦振动和冲击。因此，应尽量避免其受各种环境影响而导致的电性能等重要性能的变化。

行波管的抗振动能力是行波管结构设计中一个关键技术，在行波管结构设计过程中，如果仅仅依靠试验来验证行波管的可靠性，将增加大量人力物力，而行波管的动力学仿真分析对提高行波管的可靠性是至关重要的，它不仅有助于行波管在研发阶段寻求最优化的解决方案，而且能缩短行波管的研制周期、降低生产成本、确保产品质量。

2 动力学分析

2.1 问题分析

某行波管整管结构需要作随机振动环境试验，由于结构本身的特点和各种特性指标，需要在整管模型的关键部件窗结构（应力较大）设计一个能够起到支撑保护的支架结构，分析支架设计前后关键部件处的应力、加速度和位移等响应的变化，提高行波管整管结构的可靠性。

2.2 模型的建立

首先利用 Pro/E软件建立三维实体模型，优化模型后将三维实体模型通过ANSYS软件与Pro/E软件的模型连接接口导入ANSYS Workbench软件中，底座与振动台通过12个螺钉固定。图1为无支架整管模型，图2为安装支架的整管模型。图2 中黄色部件为支架结构。模型中的材料属性包括各种材料的杨氏模量、泊松比、密度。

图1 无支架整管模型

图2 有支架整管模型

2.3 模态分析

由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，所以在准备进行随机分析之前首先要进行模态分析，使结构设计避免共振或以特定频率进行振动，本文分析中首先通过模态求解出整管模型的振动特性，分别求出有支架和无支架整管模型的固有频率。如表1所示。

从表1结果可以看出，有支架模型的固有频率明显比无支架模型的固有频率低，由此可得，当以试验台固有频率2000Hz为例，有支架模型的第三阶频率接近试验台固有频率，而无支架模型的第四阶频率明显高于试验台固有频率，说明当模型进行振动分析时，无支架模型比有支架模型比较容易发生共振，有支架模型抗振动性更高。

2.4 随机振动分析

为了进一步证明有支架模型抗振动性强的特点，在模态分析的基础上对两种模型分别进行了随机振动分析，根据实际行波管的随机振动试验条件，将载荷定义为随机载荷，采用ANSYS软件中的Random Vibration模块进行分析。分析中所加载的载荷定义为功率谱密度函数，如图3所示。

分析结果如图4和图5所示，图4为无支架模型和有支架模型随机振动分析后窗结构最大应力比较结果，无支架模型窗结构最大应力为4.84e7Pa，有支架模型窗结构最大应力为2.48e7Pa；图5为无支架模型和有支架模型随机振动分析后窗结构最大位移比较结果，无支架模型窗结构最大位移为2.19e-5m，有支架模型窗结构最大位移为7.67e-6m，从分析结果数据可以明显看出，有支架结构窗结构的最大应力和最大位移远小于无支架结构，同时利用与试验的比较证明了有支架模型的可靠性，说明有支架模型的设计分析合理性。

(a)无支架模型 (b)有支架模型
图4 两个模型随机振动窗结构最大应力

图5 两个模型随机振动窗结构最大位移

3 结论

通过对行波管整管的无支架结构和有支架结构进行随机振动分析，得出了整管的模态分析数据、窗结构的最大应力和最大位移的分析数据，结果表明无支架模型比有支架模型比较容易发生共振，有支架结构窗结构的最大应力和最大位移远小于无支架结构，同时利用与试验比较证明了有支架模型抗振动性更强、可靠性更高，也说明有支架模型的设计分析合理性。