CN111312570B - 一种确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波真空电子器件加工装配仿真技术研究领域，涉及一种确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法，基于ANASY Workbench和CST实现工作状态下电子枪间距的仿真和测量。本发明根据测量的形变后间距修改原模型阴极热丝装配间距，调整模型后重复仿真流程；多次仿真、测距、修改模型后以获得满足预设的装配容差率的热丝阴极间距。本发明的仿真方法克服了形变后间距无法准确测量的问题，有效预判装配后的电子枪阴极的形变量和工作性能，更简便、更精确地确定阴极和热丝装配间距，测距精度在1μm内。

Description

一种确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法

技术领域

本发明属于微波真空电子器件加工装配仿真技术研究领域，涉及一种确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法。

背景技术

行波管电子枪对电、热和机械性能有严格的要求，需要精心设计。行波管电子枪工作状态下由热形变导致的装配误差将严重影响电子枪性能。正常工作下的电子枪，阴极组件温度可达1300℃。电子枪在高温工作状态下会产生形变，阴极和热丝间距较短，可能因形变导致距离过近发生接触损坏；或因距离过远导致热丝加热效率降低，此时若不改变热丝加热效率，阴极无法达到发射温度。因此确定阴极和热丝的装配间距意义重大。

实际加工中，为制造出合格的电子枪，通常需要进行大量实验来确定阴极组件的装配间距、热丝加热功率等工艺细节。现有研究大多是设计装配装置和装配步骤来确定装配间距，而如何确定精确的装配间距的研究较少。随着计算机模拟技术的发展，借助计算机CAD技术实现装配过程的模拟并指导装配过程，根据仿真分析结果对装配工艺流程进行指导修正，是提高成品率，降低生产成本，缩短研制周期的一种重要的手段。

在目前的仿真研究中，多是利用商用的热学仿真数值软件模拟工作状态下的电子枪，根据热力分析结果读出阴极和热丝的形变值，然后根据阴极和热丝形变的趋势和数值预估得出距离变化值，在原模型的阴极和热丝距离上加上或减去距离变化值，调整原模型装配间距后进行仿真。这种仿真过程中，阴极与热丝形变后间距的确定忽略了阴极与热丝不规则的局部形变，因而精准度相对较低。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有电子枪阴极与热丝装配间距精准度较低的问题，本发明提供了一种确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法。该方法克服了形变后间距无法准确测量的问题，可有效预判装配后的电子枪阴极的形变量和工作性能，对电子枪装配工艺具有指导意义。

具体技术方案如下：

一种确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、建立电子枪原模型，记录预定的电子枪原模型阴极和热丝标准间距d'(精度为0.01mm)，确定理想装配容差率。

步骤2、在ANSYS workbench中导入步骤1中电子枪原模型后进行相关热分析设置，模拟工作状态下的性能，获得热分析的温度、形变结果，导出热形变后热丝和阴极的STL格式文件。

步骤3、将步骤2所得热丝和阴极的STL格式文件分别导入SpaceClaim中，将片面状网格模型转换成实体模型，并保存为SAT格式文件导出(只能在转换成实体模型并且保存为SAT格式文件后才能在CST中进行移动测距)。

步骤4、设工作状态下形变后阴极与热丝实际间距为d”。将步骤3获得阴极和热丝的SAT格式文件分别导入CST中，进行工作状态下形变后阴极与热丝的间距测量。

测距方法如下，详细流程如图2所示。

首先设移动距离d的初始值为标准距离d'，固定阴极，向阴极方向移动热丝d'。

若移动后阴极与热丝有接触，返回移动前，将移动距离d改为d'减去0.01mm后重新进行移动；若仍有接触则继续执行返回移动前将移动距离d更改为上一次移动距离减去0.01mm，直到阴极热丝不接触。然后不接触时的移动距离d按每次增加0.001mm，向阴极方向移动热丝直到两者接触为止，记录接触前一步的移动距离d为工作状态下形变后阴极与热丝的实际间距d”，测距结束。

若移动后阴极与热丝无接触，则将移动距离逐次增加0.001mm，直到接触为止；并记录接触前一步的移动距离d为工作状态下阴极与热丝的实际间距d”，测距结束。

步骤5、测距结束时的装配误差率记为a＝|d'-d”|/d' (1)

设d”'为实际装配间距，d”'的初始值应为d'。

若a小于步骤1中设定的装配容差率，则停止后续步骤，并记录此时的d”'为最终的装配间距。

若a大于步骤1中设定的装配容差率，则按照公式(2)调整阴极热丝装配间距为d”'_i+1，将d”'_i+1作为新的阴极与热丝间距重建模型，然后重复步骤2-5，直至a小于预设装配容差率时结束循环。

得到d”'_i+1的方法如公式(2)所示。

d”'_i+1＝d”'_i-(d”_i-d”'_i)＝2d”'_i-d”_i (2)

i表示当前第i次步骤2-步骤5的循环，d”'_i表示这一次循环的d”'值，d”_i表示第i次循环的d”值，d”'_i+1表示下一次循环的d”'值。(d”_i-d”'_i)为当前第i次循环中阴极热丝工作状态下形变后间距与实际装配间距的差值，若该差值为正，说明工作状态下阴极热丝间距增大，应在实际装配间距基础上减去该差值作为第i+1次循环中的装配间距；若该差值为负，说明工作状态下阴极热丝间距减小，应在实际装配间距基础上加上该差值的绝对值作为第i+1次循环中的装配间距。

本发明方法目的在于通过仿真的方法更简便、更精确地确定阴极和热丝装配间距。本发明方法利用ANSYS模拟工作状态的电子枪，将热形变后的阴极与热丝模型经由ANSYS的几何处理模块SpaceClaim转换格式后导入CST。利用CST的接触判断功能逐步移动热丝至与阴极接触以测量形变后阴极与热丝间距，测距精度在0.001mm内。根据测量的形变后间距和本发明提出的公式修改原模型阴极热丝装配间距，调整模型后重复仿真流程。多次仿真、测距、修改模型后将获得满足预设的装配容差率的热丝阴极间距。本发明提出的确定电子枪阴极和热丝装配间距的仿真方法克服了形变后间距无法准确测量的问题，有效预判装配后的电子枪阴极的形变量和工作性能，并指导加工过程。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为形变后阴极与热丝的间距测量流程图；

图3为实施例电子枪原模型；

图4为实施例热稳态-静力结构耦合分析工程；

图5为实施例工作状态下电子枪温度分布图；

图6为实施例原模型及调整后模型热丝形变图；

图7为实施例原模型及调整后模型阴极形变图；

图8为实施例SpaceClaim中的模型转换；

图9为实施例CST中阴极和热丝测距图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本实施例选取的电子枪模型如图3所示。

步骤1、建立电子枪原模型。记录电子枪原模型阴极和热丝标准间距d’为0.15mm，设定装配容差率为1.5％。

步骤2、在ANSYS Workbench中导入步骤1中的电子枪原模型，建立热力仿真工程，如图4所示。在model版块进行相应的热分析设置，模拟工作状态下的电子枪，如图5所示。工作状态下的阴极温度为1050℃，可正常发射电子。然后导出形变后热丝和阴极的STL格式文件。

步骤3、将步骤2所得热丝和阴极的STL格式文件分别导入SpaceClaim中，将片面状网格模型转换成实体模型，如图8所示，并保存为SAT格式文件导出。

步骤4、设工作状态下形变后阴极与热丝间距为d”。将步骤3获得的阴极和热丝的SAT格式文件分别导入CST中，进行工作状态下形变后阴极热丝间距测量，如图9所示。

固定阴极，向阴极方向移动热丝，初始化移动距离d＝d’＝0.15mm，此时阴极热丝未接触。然后继续移动热丝，移动距离逐次增加0.001mm，向阴极方向移动热丝直到两者接触为止，记录接触前一步的移动距离0.162mm为工作状态下阴极热丝实际间距，即d”＝0.162mm，测距结束。

步骤5、测距结束后计算装配误差率为

a＝|0.15-0.162|/0.15＝8％ (3)

此时a大于步骤1中设定的装配容差率1.5％，则按照公式(2)调整阴极热丝装配间距为d”’_i+1。在第一次调整阴极热丝间距前，d”’_i的初始值为标准距离0.15mm，d”_i为0.162mm。

d”'_i+1＝2*0.15-0.162＝0.138 (4)

将计算得到的d”’_i+1作为新的阴极热丝间距重建模型，并重复前述步骤2-步骤5：

步骤2、将调整后的模型导入ANSYS workbench进行热力仿真；

步骤3、将步骤2所得热形变模型导入SpaceClaim中进行模型转换；

步骤4、将步骤3所得转换后的模型导入CST进行距离测量：阴极固定，热丝往阴极方向移动。移动距离d先设为0.15mm，发现阴极热丝接触；返回移动前，将移动距离d减去0.01mm，更改为0.14mm，此时不接触。然后逐步将移动距离增加0.001mm，记录接触前一步的移动距离0.148mm为工作状态下阴极热丝实际间距，即d”＝0.148mm，测距结束。

步骤5、测距结束后计算装配误差率a为

a＝|0.148-0.15|/0.15＝1.33％ (5)

此时a小于设定的装配容差率1.5％，符合要求。即可确定阴极和热丝的实际装配距离应为0.138mm。

图6(a)所示为调整阴极与热丝装配间距前热丝在工作状态下的形变，图6(b)所示为调整阴极与热丝装配间距后热丝在工作状态下的形变。图7(a)所示为调整阴极与热丝装配间距前阴极在工作状态下的形变，图7(b)所示为调整阴极与热丝装配间距后阴极在工作状态下的形变。

表1展示了阴极热丝间距调整过程。可以看到调整阴极热丝间距后，正常工作时的热丝和阴极间距0.148mm非常接近标准间距0.15mm。装配误差由8％下降到1.33％。

表2展示了阴极与热丝间距调整对各自形变的影响，其中阴极热丝形变主要集中在轴向上。可以看到调整间距后，热丝和阴极的形变均减小，电子枪的热稳定性更优。

阴极热丝距离	阴极形变	热丝形变	阴极轴向形变	热丝轴向形变
					0.15mm	0.089mm	0.078mm	0.088653mm	0.077535mm
0.138mm	0.062mm	0.055mm	0.049298mm	0.041995mm

表3展示了调整间距前后热丝功率的变化。可以看出调整间距后，阴极达到约1051℃时，热丝功率降低了1.40％，温度甚至略高于调整前，热丝效率明显提高。

阴极热丝间距	阴极温度	热丝功率
			0.15mm	1051.2℃	47.926W
0.138mm	1051.8℃	47.257W

综上可见，本发明的仿真方法根据测量的形变后间距和本发明提出的公式修改原模型阴极热丝装配间距，调整模型后重复仿真流程；多次仿真、测距、修改模型后将获得满足预设的装配容差率的热丝阴极间距。本发明的仿真方法克服了形变后间距无法准确测量的问题，有效预判装配后的电子枪阴极的形变量和工作性能，更简便、更精确地确定阴极和热丝装配间距。

Claims (1)

1.一种确定电子枪阴极与热丝装配间距的仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、建立电子枪原模型，记录预定的电子枪原模型阴极和热丝标准间距d'，精度为0.01mm，确定理想装配容差率；

步骤2、在ANSYS workbench中导入步骤1中电子枪原模型后进行相关热分析设置，模拟工作状态下的性能，获得热分析的温度、形变结果，导出热形变后热丝和阴极的STL格式文件；

步骤3、将步骤2所得热丝和阴极的STL格式文件分别导入SpaceClaim中，将片面状网格模型转换成实体模型，并保存为SAT格式文件导出；

步骤4、设工作状态下形变后阴极与热丝间距为d”，将步骤3获得的阴极和热丝的SAT格式文件分别导入CST中，进行工作状态下形变后阴极与热丝的间距测量；

形变后阴极与热丝间距测距方法如下：

首先设移动距离d的初始值为标准间距d'，固定阴极，以标准间距d'向阴极方向移动热丝；

若移动后阴极与热丝有接触，返回移动前，将移动距离d改为d'减去0.01mm后重新进行移动；若仍有接触则继续执行返回移动前，将移动距离d更改为上一次移动距离减去0.01mm，直到阴极热丝不接触；然后将不接触时的移动距离d按每次增加0.001mm，向阴极方向移动热丝直到两者接触为止，记录接触前一步的移动距离d为工作状态下形变后阴极与热丝的实际间距d”，测距结束；

若移动后阴极与热丝无接触，则将移动距离d逐次增加0.001mm，直到接触为止；并记录接触前一步的移动距离d为工作状态下阴极与热丝的实际间距d”，测距结束；

步骤5、测距结束时的装配误差率记为

a＝|d'-d”|/d' (1)

设d”'为实际装配间距，d”'的初始值应为d'；

若a小于步骤1中设定的装配容差率，则停止后续步骤，并记录此时的d”'为最终的装配间距；

若a大于步骤1中设定的装配容差率，则按照公式(2)调整阴极热丝装配间距为d”'_i+1，将d”'_i+1作为新的阴极与热丝间距重建模型，然后重复步骤2-步骤5，直至a小于预设装配容差率时结束循环；

得到d”'_i+1的方法如公式(2)所示：

d”'_i+1＝d”'_i-(d”_i-d”'_i)＝2d”'_i-d”_i (2)

i表示当前第i次步骤2-步骤5的循环，d”'_i表示当前第i次循环的d”'值，d”_i表示当前第i次循环的d”值，d”'_i+1表示第i+1次循环的d”'值；(d”_i-d”'_i)为当前第i次循环中阴极热丝工作状态下形变后间距与实际装配间距的差值，若该差值为正，说明工作状态下阴极热丝间距增大，应在实际装配间距基础上减去该差值作为第i+1次循环中的装配间距；若该差值为负，说明工作状态下阴极热丝间距减小，应在实际装配间距基础上加上该差值的绝对值作为第i+1次循环中的装配间距。

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