1 概 述

雷達天線罩簡稱天線罩或雷達罩。它的作用是在雷達天線的周圍形成一個封閉的空間，將轉動工作的雷達天線罩于其中，以保護雷達天線系統免受大氣環境的直接作 用。由于天線罩的遮擋，天線系統可不受風、沙、雨、雪、冰雹的侵襲，這將降低天線驅動裝置的設計功率和減少天線轉動實際消耗的能源，并且避免了因氣候等對 天線系統的影響，因此也大大簡化和減輕了天線系統的日常維護修理工作，延長了雷達的使用壽命。但是架設天線罩會使天線的電性能有所降低，例如引起波束偏 離、波瓣畸變、傳輸損耗和反射功率損耗等，影響了雷達的精度并降低了雷達的有效作用距離。

一般來說，天線罩罩壁越厚，結構性能會越好，但電性能會越差。在設計雷達罩罩壁厚度時要充分考慮結構和電性這一對矛盾，根據天線及天線罩使用環境確定合適的壁厚，爭取設計出在結構、電性能上表現優異，同時輕巧美觀、經濟實用又方便安裝的雷達罩。

ANSYS是集前后置處理、求解器為一體的具有強大解算功能的有限元軟件，它集成了很多先進技術來優化計算過程，并將其模塊化，比如接觸關系的模擬、子模型、優化設計等。

本文將結合某型號天線罩（見圖1），采用ANSYS的優化設計模塊，對其進行優化設計，求解同時滿足結構性能要求和電性能要求的最佳厚度尺寸。

圖1 某型號天線罩

2 優化設計

2.1 生成優化分析文件

分析文件是ANSYS優化設計過程中的關鍵部分，ANSYS程序運用分析文件構造循環文件，進行循環分析。分析文件中，模型必須是參數化建立的，結果也必須用參數來提取。完成后，保存為“radome.inp”。

2.1.1 參數化建模

天線罩半徑r，高度h，初始壁厚t0=0.012，載荷為均布壓力p， 材料性能見表1，底部約束為固支。進入前處理器（prep7），對天線罩進行建模并加載（見圖2）。

圖2 有限元模型

2.1.2 求解并指定優化變量

所謂的優化變量，指的是設計變量（dv）、狀態變量（sv）和目標函數（obj）。顯然，在雷達天線罩的設計中，壁厚t是設計變量，它由電性能設計提供。 狀態變量是設計變量的函數，可以根據需要自己定義，本例中我們將最大變形u和mises應力seqv作為狀態變量，重量w作為目標函數。

求解后進入后處理器（post1），用*get命令分別提取最大變形u、mises應力seqv和重量w。

2.2 生成優化控制文件

在控制文件里，我們需要對優化變量、優化方法和收斂準則進行設置。完成后保存為“optradome.inp”。

2.2.1 聲明優化變量

在雷達天線罩的結構設計中，壁厚t的范圍由電性能設計決定，這里我們假定t∈（0.005，0.015）。剛度設計要求最大變形u＜t，為了便于計算，這里做一個簡單的等式變換，令f=u-t＜0。強度設計要求應力有3倍的安全系數。

用/input命令讀入前面保存的分析文件，用opvar命令聲明優化變量：

opvar，t，dv，0.005，0.015，0.0000001

opvar，f，sv，，0

opvar，seqv，sv，，s/3，1e4

opvar，w，obj，，，0.01

2.2.2 優化方法

ANSYS提供了兩種優化方法：零階方法和一階方法。本例中我們用一階方法，用optype命令設置：

optype，firs

2.2.3 收斂準則

優化過程是一個不斷循環迭代的過程，所以我們需要設定有效的收斂準則來控制優化過程什么時候結束。

假設Fj、Xj和Fj-1、Xj-1分別為目標函數、設計變量第j次迭代和第j-1次迭代的結果，

Fb和Xb分別是當前的最優目標函數和其相應的設計變量值。如果滿足 或者，亦或或者，為優化變量的公差，那么認為迭代收斂，于是迭代停止。為了防止優化過程中的不收斂，ANSYS還為每種優化方法提供了相應的循環控制方 式，即最大循環次數。本例中，我們用的是一階方法，故用opfrst命令對循環次數進行設置：opfrst，10。

2.3 優化求解

直接輸入“/input，optradome，inp”進行求解，優化結果見圖3。

圖3 優化結果

由此得到最優解w=7.4495，在t=0.011194附近。

3 計算結果討論

（1）圖3中，set1為初始解w0=8.0464，t0=0.012。在滿足結構強剛度條件下，最優解與初始解相比減小了7.42%，壁厚減小了6.72%。

（2）將“optradome.inp”文件中，初始壁厚t0由0.012改為0.011194，目標函數w的公差0.01改為0.0000001，對天線罩進行二次優化，優化結果見圖4。

從圖4中我們可以看出，最優解w=7.3579，在t=0.011069附近，與前面的優化結果相比最優解減小了1.23%，壁厚減小了1.12%。

可見，一次優化的結果往往只是一個粗略的結果，這時候我們可以通過修改優化變量的公差、增加循環次數等方法對優化過程進行二次優化，從而得到滿足我們要求 的精確解。本例中，通過兩次優化設計，壁厚t的誤差⊿t=0.000125，對于玻璃鋼手糊成型工藝，這個誤差是可以接受的。

4 結 論

（1）本文運用ANSYS優化設計功能對某型號雷達天線罩進行優化設計，通過兩次優化設計，得到的最佳壁厚尺寸（t=0.011069）既滿足電性能要求又滿足天線罩結構強剛度要求，為進一步天線罩設計提供參考依據。

（2）為了得到滿足設計要求的最優解，在優化過程中，需要對收斂準則進行多次設置。