一种螺旋线行波管高频结构石墨热挤压工艺的仿真方法与流程

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ansysworkbench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。

技术实现要素：

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ansysworkbench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ansysworkbench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ansysworkbench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ansysworkbench中热形变后模型；

将步骤2得到的热形变后模型导入ansysworkbench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ansysworkbench中模拟冷却过程；

将步骤3得到的初始模型导入ansysworkbench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。

ansysworkbench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ansysworkbench中进行降温过程的分析计算。如果根据ansysworkbehnch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ansysworkbench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ansysworkbench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ansysworkbench中的engineeringdata中添加材料参数。

步骤2、在ansysworkbench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ansysworkbench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ansysworkbench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。