CN109783923A - 一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法 - Google Patents
一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109783923A CN109783923A CN201910015617.3A CN201910015617A CN109783923A CN 109783923 A CN109783923 A CN 109783923A CN 201910015617 A CN201910015617 A CN 201910015617A CN 109783923 A CN109783923 A CN 109783923A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- model
- frequency structure
- ansys workbench
- hot extrusion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Extrusion Of Metal (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明属于微波真空电子器件加工工艺技术研究领域,涉及一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法。本发明首先针对升温和降温两个过程中边界条件和环境初始条件不同的问题,将升温和降温两个过程分成两个工程进行模拟仿真;然后针对两个过程模型的不连续性问题,使用ANSYS Workbench中自带的CAD软件SpaceClaim对模型进行修复,以保证两个过程模型的连续性。本发明提高了石墨热挤压工艺模拟的精度,为实际加工提供了仿真分析指导,并减低了生产成本,缩短了研制周期。
Description
技术领域
本发明属于微波真空电子器件加工工艺技术研究领域,涉及一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法。
背景技术
螺旋线行波管以其宽频带,大功率,效率高等优良特征,被广泛应用于军事、民用领域。螺旋线行波管对电、热和机械性能都有严格的要求,需要精心设计。在螺旋线行波管的制造过程中,加工和装配工艺对螺旋线行波管的几何参数和电性能有很大的影响。研究螺旋线行波管高频结构的装配工艺有助于改善高频结构的综合性能。实验表明,石墨热挤压工艺可有效减少夹持杆和管壳、夹持杆和螺旋线间接触面积,提高高频结构散热性能。
石墨热挤压工艺实际过程如下:将低膨胀系数的石墨模具套在管壳的外部,将螺旋线和夹持杆组件按要求装入管壳内,然后将整个组件放入氢炉进行高温加热。管壳在高温下膨胀时受到模具的限制,从而产生向内的径向压力将内部组件挤压紧,冷却降温时,管壳收缩后将内部组件进一步压紧。
行波管高频结构种类繁多,尺寸范围变化广,材料特性差异大,冷状态下的装配误差,加工温度时间等都将影响石墨热挤压工艺效果。由于经验公式和仿真分析的缺乏,为制造出合格的高频结构,实际加工中通常需要进行大量实验来确定各类高频结构的加工流程细节,极大地耗费了时间和人力资源。使用计算机CAD技术辅助模拟该工艺流程,可有效预判加工后螺旋线行波管高频结构的形变量和综合性能,根据仿真分析结果对工艺流程进行指导修正,可提高成品率,降低生产成本,缩短研制周期。
在ANSYS Workbench中使用热力耦合分析模拟石墨热挤压法时,升温过程,外管壳和底面均设置为固定面,初始温度为室温,终态温度约为700℃-1000℃高温。降温过程中,只设置底面为固定面,初始温度为升温终态高温,终态温度为室温。由于升温和降温两个过程边界条件和环境初始条件不同,所以不能在同一个工程中进行全过程分析。并且当升温和降温分开两个工程计算时,无法保证两个过程模型形变的连续性。目前,在已有的高频结构加工工艺的仿真研究中,只有单独的升温过程或降温过程,升温降温过程联合仿真问题亟待解决。
发明内容
针对上述存在问题或不足,为解决现有石墨热挤压工艺实际加工过程中因缺乏经验公式和仿真分析指导,以及无法将升温和降温两个过程连接起来的系统仿真方法对全过程进行模拟,导致研制成本高、周期长以及精度低的问题;本发明提供了一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法,指导实际加工过程从而降低生产成本缩短周期。
一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法,包括以下步骤:
步骤1、建立冷状态下装配后的原模型;
根据实际高频结构的尺寸在ANSYS Workbench的CAD软件Geometry中建立原模型,设置相应材料特性参数。
步骤2、在ANSYS Workbench中模拟升温过程;
建立冷状态下装配好的高频慢波结构模型并导入ANSYS Workbench中,使用热瞬态和静力结构耦合分析,将热瞬态分析的结果作为静力结构分析的载荷,模拟热胀过程形变,得到热形变后模型。设定外表面为固定面模拟石墨外套模具,设定底面为固定面模拟放置面,添加随时间变化的对流边界条件模拟慢波结构升温至恒定高温,按照实际加工温度和加工时间设置对流的环境温度、对流换热系数;
步骤3、在SpaceClaim中修复ANSYS Workbench中热形变后模型;
将步骤2得到的热形变后模型导入ANSYS Workbench中的CAD软件SpaceClaim里。首先将面网模型转换成实体模型,然后使用repair功能将热形变后模型的网格碎片面修复成连续完整面,最后将修复后的模型导出,作为降温过程的初始模型;
步骤4、在ANSYS Workbench中模拟冷却过程;
将步骤3得到的初始模型导入ANSYS Workbench中,使用热瞬态和静力结构耦合分析,将热分析的结果作为静力结构分析的载荷,模拟冷缩过程形变。设定高频结构底面为固定面。将步骤1中的环境终态温度作为环境初始温度,添加随时间变化的对流边界条件模拟慢波结构温度冷却至室温,根据实际加工温度和加工时间设置对流环境温度、对流换热系数。
ANSYS Workbench自带CAD软件有Geometry和SpaceClaim。Geometry中主要进行几何模型建立和材料设置,SpaceClaim中主要进行几何模型简化和修复。使用SpaceClaim中修复的零形变模型与未经修复的原模型同时进行热瞬态和结构耦合分析计算,发现修复后模型温度误差和形变误差极小,可忽略不计,SpaceClaim修复后的模型可用于ANSYSWorkbench中的分析计算。
因为升温和降温两个过程边界条件和环境初始条件不同,所以无法在同一个工程进行全过程模拟,目前,在已有的对螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真模拟中,只有单独的升温过程或降温过程。当升温和降温分开两个工程计算时,不能保证两个过程模型形变的连续性。如果直接从升温过程终态导出的形变后模型为面网模型,则无法直接在ANSYS Workbench中进行降温过程的分析计算。如果根据ANSYS Workbehnch分析工程中轴向和径向形变数据进行模型重建,则模型重建准确度较低,对最终形变计算准确度影响较大。
本发明首先针对升温和降温两个过程中边界条件和环境初始条件不同的问题,将升温和降温两个过程分成两个工程进行模拟仿真;然后针对两个过程模型的不连续性问题,使用ANSYS Workbench中自带的CAD软件SpaceClaim对模型进行修复,以保证两个过程模型的连续性。本发明提高了石墨热挤压工艺模拟的精度,为实际加工提供了仿真分析指导,并减低了生产成本,缩短了研制周期。
附图说明
图1为实施例的高频结构原模型;
图2为实施例的热瞬态-静力结构耦合分析工程;
图3为实施例加工中升温终态高频结构温度云图;
图4为实施例加工中升温终态高频结构形变云图;
图5为实施例的SpaceClaim中螺旋线修复前后模型对比图;
图6为实施例加工中冷却终态高频结构温度云图;
图7为实施例加工中冷却终态高频结构形变云图;
图8为本发明的具体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
本例选取工作于5-8GHz的6周期螺旋线行波管圆形夹持杆高频结构作为模型。管壳内半径为2mm,螺旋线内半径为0.9mm,各部分尺寸如表1所示。管壳材料为蒙乃尔合金,夹持杆材料为氧化铍陶瓷,螺旋线材料为钼,各部分材料参数如表2所示。
表1慢波结构各部分尺寸
表2慢波结构各部分材料参数
步骤1、建立冷状态下装配后的原模型;
根据表1的尺寸参数在ANSYS Workbench的Geometry中建立原模型,图1所示为建立完成的原模型,再根据表2的材料参数在ANSYS Workbench中的Engineering Data中添加材料参数。
步骤2、在ANSYS Workbench中模拟升温处理过程;
采用热瞬态和静力结构耦合分析,将热瞬态分析的终态温度分析结果作为静力结构分析的载荷,见图2,计算分析时间为200秒。添加一个所有面与环境温度对流换热的对流边界条件,环境温度在0-100秒内从22℃升温至700℃,并保持100秒的700℃,对流换热系数为0.005W/mm2。设置管壳底面和夹持杆底面为固定面模拟放置接触面;设置管壳外表面为固定面模拟石墨模具。
图3展示了高频结构升温过程终态温度为700℃。图4展示了高频结构升温终态的形变量,可以看出管壳外表面形变为零,体现了石墨磨具对管壳外表面的固定作用。管壳向内径向膨胀,将夹持杆和螺旋线压紧。高频结构升温过程最大形变量为0.014861mm。
步骤3、在SpaceClaim中修复升温过程终态形变模型;
导出步骤2中的热形变模型stl格式文件,在ANSYS自带的CAD软件SpaceClaim中将该面网模型转换成实体模型,然后使用repair功能对多个网格碎片面修复成完整连续面,修复方法为选择repair功能,然后逐一选中邻近两个面连接成一个面进行模型所有面的修复。将修复后的模型转换为sat格式文件导出到ANSYS Workbench的分析项目中进行冷却过程模拟,图5展示了使用SpaceClaim进行模型修复前后的对比,可以看出经过SpaceClaim修复后,面网模型修复成了表面较为连续完整的模型。
步骤4、在ANSYS Workbench中模拟冷却过程;
采用热瞬态和静力结构耦合分析对步骤3中修复后的模型进行计算,将热瞬态分析的终态温度分析结果作为静力结构分析的载荷,计算分析时间为150秒。添加一个所有面与环境温度对流换热的对流边界条件,环境温度在0-100秒内从700℃降温至22℃,并保持50秒的22℃,对流换热系数为0.005W/mm2。设置管壳底面和夹持杆底面为固定面模拟放置接触面。
图6展示了高频结构降温过程终态温度为22℃,图7展示了高频结构降温过程终态的形变量,可以看出降温过程管壳径向收缩,对夹持杆和螺旋线进一步压紧。高频结构降温过程最大形变量为0.043122mm。
以上可见,本发明方案的切实有效,能提高石墨热挤压工艺模拟的精度,为实际加工提供了仿真分析指导,并减低研制成本和周期。
Claims (2)
1.一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法,包括以下步骤:
步骤1、建立冷状态下装配后的原模型;
根据实际高频结构的尺寸建立原模型,设置相应材料特性参数;
步骤2、在ANSYS Workbench中模拟升温过程;
建立冷状态下装配好的高频慢波结构模型并导入ANSYS Workbench中,使用热瞬态和静力结构耦合分析,将热瞬态分析的结果作为静力结构分析的载荷,模拟热胀过程形变,得到热形变后模型;设定外表面为固定面模拟石墨外套模具,设定底面为固定面模拟放置面,添加随时间变化的对流边界条件模拟慢波结构升温至恒定高温,按照实际加工温度和加工时间设置对流的环境温度、对流换热系数;
步骤3、在SpaceClaim中修复ANSYS Workbench中热形变后模型;
将步骤2得到的热形变后模型导入ANSYS Workbench中的CAD软件SpaceClaim里;首先将面网模型转换成实体模型,然后使用repair功能将热形变后模型的网格碎片面修复成连续完整面,最后将修复后的模型导出,作为降温过程的初始模型;
步骤4、在ANSYS Workbench中模拟冷却过程;
将步骤3得到的初始模型导入ANSYS Workbench中,使用热瞬态和静力结构耦合分析,将热分析的结果作为静力结构分析的载荷,模拟冷缩过程形变;设定高频结构底面为固定面,将步骤2中的环境终态温度作为环境初始温度,添加随时间变化的对流边界条件模拟慢波结构温度冷却至室温,根据实际加工温度和加工时间设置对流环境温度、对流换热系数。
2.如权利要求1所述螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法,其特征在于:所述步骤1原模型的建立选用ANSYS Workbench的CAD软件Geometry。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910015617.3A CN109783923B (zh) | 2019-01-08 | 2019-01-08 | 一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910015617.3A CN109783923B (zh) | 2019-01-08 | 2019-01-08 | 一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109783923A true CN109783923A (zh) | 2019-05-21 |
CN109783923B CN109783923B (zh) | 2022-05-03 |
Family
ID=66500112
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910015617.3A Active CN109783923B (zh) | 2019-01-08 | 2019-01-08 | 一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109783923B (zh) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101642865A (zh) * | 2008-08-06 | 2010-02-10 | 中国科学院电子学研究所 | 螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法 |
WO2014203221A1 (en) * | 2013-06-21 | 2014-12-24 | Modi Consulting And Investments Pty Ltd | Overmoulding process having intermediate heating step |
CN105243238A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-01-13 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种一体化快速产品迭代成形装置及其方法 |
CN108089458A (zh) * | 2017-12-23 | 2018-05-29 | 株洲市智汇知识产权运营服务有限责任公司 | 研究环境温度对新型过载保护继电器温度影响仿真方法 |
-
2019
- 2019-01-08 CN CN201910015617.3A patent/CN109783923B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101642865A (zh) * | 2008-08-06 | 2010-02-10 | 中国科学院电子学研究所 | 螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法 |
WO2014203221A1 (en) * | 2013-06-21 | 2014-12-24 | Modi Consulting And Investments Pty Ltd | Overmoulding process having intermediate heating step |
CN105243238A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-01-13 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种一体化快速产品迭代成形装置及其方法 |
CN108089458A (zh) * | 2017-12-23 | 2018-05-29 | 株洲市智汇知识产权运营服务有限责任公司 | 研究环境温度对新型过载保护继电器温度影响仿真方法 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
HAN Y等: "An Evaluation of Heat Dissipation Capability of Slow-Wave Structures", 《IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES》 * |
关文勇等: "慢波热挤压装置的热-结构耦合分析与设计", 《现代制造工程》 * |
孙淼等: "耦合腔慢波结构热特性仿真环境的设计", 《电子科技大学学报》 * |
尚艳华等: "Q波段行波管的螺旋线结构的热分析", 《真空电子技术》 * |
赵健翔: "螺旋线行波管的热力电协同仿真研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN109783923B (zh) | 2022-05-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108009336B (zh) | 一种微桁架结构承载和热防护结构的多目标优化方法 | |
CN106626449B (zh) | 考虑固化变形的复合材料v型构件热压罐成型工装型面的设计方法 | |
CN108062432A (zh) | 一种激光选区熔化过程的数值模拟方法 | |
CN104217061B (zh) | 低压配电柜的温度场仿真设计方法 | |
CN105598448B (zh) | 一种金属材料激光3d打印原位预热温度的控制方法 | |
WO2010105471A1 (zh) | 基于机电热三场耦合的电子设备机箱结构优化设计方法 | |
CN105184020B (zh) | 感应加热仿真方法 | |
CN110390172A (zh) | 多场有限元仿真的密封电磁继电器温度场分析方法 | |
CN110633496B (zh) | 一种基于热-力耦合模型的锂离子电池放电过程中热应力和温度的确定方法 | |
CN105203591A (zh) | 航天器试验模型热壁热流密度的测量方法 | |
CN108920752A (zh) | 一种行波管结构尺寸同步更新与迭代设计方法 | |
CN106529005A (zh) | 一种基于有限元仿真的超高强度钢螺纹类工件局部回火感应线圈的设计方法 | |
CN109766663A (zh) | 一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法 | |
WO2024082569A1 (zh) | 一种板级散热仿真方法、系统及介质 | |
CN116579207A (zh) | 焊点焊后残余应力预测与优化的变可信度模型确定方法 | |
CN109783923A (zh) | 一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法 | |
CN109676001A (zh) | 一种成形制备铝合金构件产品的方法 | |
CN109732815B (zh) | 一种成形制备纤维树脂复合材料构件产品的方法 | |
CN116822279A (zh) | 矿热炉电极设计方法、装置及设备 | |
CN114117675B (zh) | 一种操动机构温湿度场数值仿真方法及系统 | |
CN109755083A (zh) | 一种螺旋线慢波系统热膨胀装配方法 | |
CN111695219B (zh) | 一种覆有热保护涂层的蒙皮板在超音速飞行条件下的应力预测方法 | |
Zhu et al. | Simulation exploration of assembly process and key parameters of TWT | |
CN111079231A (zh) | 一种直线超声波电机多物理场综合设计方法 | |
CN110990972A (zh) | 一种光热换热器换热管与管板接头抗热冲击简化评定方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |