CN102663177A

CN102663177A - 一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法

Info

Publication number: CN102663177A
Application number: CN2012100870829A
Authority: CN
Inventors: 王从思; 李兆; 王艳
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明公开了一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，包括：1)根据机载有源相控阵天线的结构参数，确定几何模型文件，并将几何模型文件参数输入Ansys中；2)在Ansys文件中设置天线材料属性数据；3)设置天线几何模型的单元类型和大小；4)将天线几何模型自动离散成若干单元，采用Ansys自由网格划分有限元；5)给定天线有限元模型的约束条件，确定有限元模型拟扩展的模态阶数；6)计算天线有限元模型各阶固有频率，绘制天线有限元模型各阶振型及位移云图；7)构建APDL宏文件；8)直接生成天线有限元模型。该方法不需要大量数据，模态分析时间短，成本低，操作简便。

Description

一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法

技术领域

本发明涉及雷达技术中相控阵天线，特别是一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法。

背景技术

有源相控阵天线(Active Phased Array Antenna，APAA)技术是近年来正在发展的新技术，它比现在尖端的单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。有源相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这一缺点，波束的扫描速度高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快(毫秒量级)，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。以相扫替代机扫是有源相控阵天线的最大特点，这种无惯性的波束扫描，赋予有源相控阵雷达许多卓越特性。

现代高技术信息化作战对机载火控雷达的综合性能和可靠性的要求日益增高，传统的机械扫描脉冲多普勒体制火控雷达已经无法满足这些要求。微电子技术、高速、大容量电子计算机技术、有源相控阵天线技术、多通道多维信息处理技术的发展，催生了机载有源相控阵天线。机载有源相控阵天线不仅能满足现代先进战斗机对机载火控雷达提出的要求，而且还为战斗机带来了很多新的功能，是各军事强国争相抢占的一个军事技术制高点。

机载有源相控阵天线在其特殊的工作环境下会因为振动产生形变，因此研究机载有源相控阵天线的固有频率和相应的主振型显得非常重要。

模态分析的目的是得到机构的固有特征，包括结构的若干个固有频率和相应的主振型振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动相应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。模态分析对于机载有源相控阵天线在其工作环境下的结构系统动态特性预估和优化以及故障判断，有着十分重要的意义。

对于机载有源相控阵天线的模态规律进行总结，需要进行多次试验以及大量数据。如果完全依靠经验来积累数据成本过高，也很不实际。

而有限元建模的方法即有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)，也称为有限元单元法(FEM，Finite Element Method)，是一种高效能、常用的计算方法。

因此，利用有限元建模的方法对机载有源相控阵天线进行有限元建模并进行模态分析，对该领域机载有源相控阵天线进行形变和应力计算的一种有效的技术手段。也是本领域目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有机载有源相控阵天线建模方法中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，该方法能够针对Ansys系统基础上提出一种自动生成机载有源相控阵天线的有限元模型的模态分析方法，与传统的进行数据总结的方法相比，本发明不仅提高了机载有源相控阵天线的有限元建模效率，还缩短了机载有源相控阵天线模态分析的时间。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，该方法包括下述步骤：

1)根据机载有源相控阵天线的结构参数，确定机载有源相控阵天线的几何模型文件，并将几何模型文件参数输入Ansys中；

2)在Ansys几何模型文件中设置机载有源相控阵天线材料属性数据；

3)设置机载有源相控阵天线几何模型的单元类型和单元大小；

4)将机载有源相控阵天线几何模型自动离散成若干单元，采用Ansys支持的自由网格划分方法来划分有限元；

5)给定机载有源相控阵天线有限元模型的约束条件，确定有限元模型拟扩展的模态阶数；

6)计算在规定频率范围内的机载有源相控阵天线有限元模型的各阶固有频率，并绘制机载有源相控阵天线有限元模型的各阶阵型及位移云图；

7)根据步骤1)至步骤6)机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析，构建APDL宏文件；

8)将APDL宏文件，存入到Ansys工作目录下，在Ansys运行界面下调用APDL宏文件即直接生成机载有源相控阵天线有限元模型。

本发明的进一步特征在于：

所述机载有源相控阵天线几何结构参数包括冷板、辐射板、T/R组件以及罩壳的参数。

所述机载有源相控阵天线材料属性数据包括弹性模量、泊松比和密度。

所述冷板、T/R组件以及罩壳材料的弹性模量为70×10³t/mm²，泊松比为0.28，密度为2.7×10^-9t/mm³；所述辐射板材料的弹性模量为6.58×10³t/mm²，泊松比为0.28，密度为1.87×10^-9t/mm³。

所述单元类型为SOLID98；所述冷板、T/R组件、辐射板以及罩壳的单元为四面体。

所述机载有源相控阵天线有限元模型模态阶数为1～20阶。

本发明具有下述特点：

利用有限元建模的方法，对于机载有源相控阵天线的进行模态分析，不需要大量数据，成本低，操作简便。并且利用了APDL宏文件极大的缩短了对机载有源相控阵天线有限元模型产生的形变进行模态分析的时间，是一种对机载有源相控阵天线进行模态分析的行之有效的方法。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明分析方法流程图。

图2为本发明机载有源相控阵天线的几何模型图。

图3为本发明机载有源相控阵天线有限元模型所受约束位置的示意图。

图4为本发明机载有源相控阵天线有限元模型的一阶振型图。

图5为本发明机载有源相控阵天线有限元模型的一阶固有频率下的总位移云图。

具体实施方式

如图1所示，该基于机载有源相控阵天线有限元建模的静力分析方法，包括下述步骤：

1)根据机载有源相控阵天线的结构参数，确定机载有源相控阵天线的几何模型文件，并将几何模型文件参数输入Ansys中；并在Ansys文件中得到机载有源相控阵天线的几何模型，机载有源相控阵天线的几何模型图如图2所示。其中，机载有源相控阵天线几何结构参数包括冷板、辐射板、T/R组件以及罩壳的参数；

2)在Ansys几何模型文件中设置机载有源相控阵天线材料属性数据；其中，机载有源相控阵天线材料属性数据包括弹性模量、泊松比和密度；

本实施例中，冷板、T/R组件以及罩壳材料的弹性模量为70×10³t/mm²，泊松比为0.28，密度为2.7×10^-9t/mm³；所述辐射板材料的弹性模量为6.58×10³t/mm²，泊松比为0.28，密度为1.87×10^-9t/mm³；

3)设置机载有源相控阵天线几何模型的单元类型和单元大小；其中，单元类型为SOLID98；冷板、T/R组件、辐射板以及罩壳的单元为四面体；

5)给定机载有源相控阵天线有限元模型的约束条件，确定有限元模型拟扩展的模态阶数；其中8个约束加载在机载有源相控阵天线有限元模型罩壳的下表面上，所有约束都是全约束，关于罩壳圆形底板的圆心中心对称分布，如图3所示；

6)计算在规定频率范围内的机载有源相控阵天线有限元模型的各阶固有频率，并绘制机载有源相控阵天线有限元模型的各阶阵型及位移云图；机载有源相控阵天线有限元模型的一阶阵型如图4所示，图4显示机载有源相控阵天线有限元模型的在一阶固有频率下的机载有源相控阵天线有限元模型罩壳的面板(罩壳面板部位见图4中A处所示)变形较大，其他部位相对变性较小。机载有源相控阵天线有限元模型的一阶固有频率下的总位移如图5所示，在图5中，位移标尺所示浅色标识表示机载有源相控阵天线有限元模型的位移较小，位移标尺所示深色标识表示机载有源相控阵天线有限元模型的位移较大。位移云图结果显示机载有源相控阵天线有限元模型的位移在机载有源相控阵天线有限元模型的罩壳面板部位位移较大，而其他部分受到的位移较小；

8)将APDL宏文件，存入到Ansys工作目录下，在Ansys运行界面下调用APDL宏文件即直接生成机载有源相控阵天线有限元模型。利用APDL的程序语言来组织Ansys的有限元分析命令，就可以实现机载有源相控阵天线的参数化建模、自由网格划分、施加约束条件以及模态分析求解，从而实现机载有源相控阵天线有限元模态分析的全过程。以APDL为基础可以简单地修改其中的参数达到反复分析各种几何尺寸、不同载荷大小的多种分析方案或者序列性产品，极大地提高分析效率，缩短了机载有源相控阵天线的分析周期，减少分析成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

6)计算在规定频率范围内的机载有源相控阵天线有限元模型的各阶固有频率，并绘制机载有源相控阵天线有限元模型的各阶振型及位移云图；

2.根据权利要求1所述的一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，其特征在于，所述机载有源相控阵天线几何结构参数包括冷板、辐射板、T/R组件以及罩壳的参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，其特征在于，所述机载有源相控阵天线材料属性数据包括弹性模量、泊松比和密度。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，其特征在于，所述冷板、T/R组件以及罩壳材料的弹性模量为70×10³t/mm²，泊松比为0.28，密度为2.7×10^-9t/mm³；所述辐射板材料的弹性模量为6.58×10³t/mm²，泊松比为0.28，密度为1.87×10^-9t/mm³。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，其特征在于，所述机载有源相控阵天线几何模型的单元类型为SOLID98；所述冷板、T/R组件、辐射板以及罩壳的单元为四面体。

6.根据权利要求1所述的一种基于机载有源相控阵天线有限元建模的模态分析方法，其特征在于，所述机载有源相控阵天线有限元模型模态阶数为1～20阶。