CN105335575B - 一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞机结构有限元建模领域，特别涉及一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，以解决电子天线结构一体化层压板采用现有有限元计算方法导致计算结果准确度不高的问题。有限元建模方法包括如下步骤：将电子天线结构一体化层压板划分为层压板区域、过渡区域和天线区域；分别创建各区域的空间几何模型；对创建的空间几何模型中的几何平面和实体划分有限元网格；建立材料属性；步骤五、建立单元物理特性，完成建模。本发明的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法简单可靠，即节省了有限元计算分析响应时间，同时又准确模拟天线过渡区域的传力特点，提高了数值仿真计算的精确度。

Description

一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法
技术领域
本发明涉及飞机结构有限元建模领域，特别涉及一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法。
背景技术
电子天线/结构一体化层压板是将电子天线与复合材料层压板蒙皮集成到一起，使蒙皮既具有承受载荷的能力，同时又具备天线的功能。为避免切断纤维降低复合材料层压板结构的力学性能，一般将微型天线结构内埋于复合材料层压板结构内部，以降低对复合材料层压板结构力学性能的影响。
如何对电子天线/结构一体化层压板进行有限元建模仿真，准确的模拟其力学性能尤其是天线区域的力学性能以及一体化结构的失效模式，是电子天线/结构一体化层压板能够在工程上进行应用的前提。传统的复合材料层压板结构有限元建模方法通常采用二维面单元，利用有限元计算分析软件中的复合材料铺层模块建立复合材料层压板属性，该方法无法准确模拟天线过渡区域的传力特点，也无法模拟电子天线埋入复合材料层压板结构对其带来的影响，从而使得计算结果准确度不高。
发明内容
本发明的目的是提供了一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，以解决电子天线结构一体化层压板采用现有有限元计算方法导致计算结果准确度不高的问题。
本发明的技术方案是：
一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，包括如下步骤：
步骤一、将电子天线结构一体化层压板划分为层压板区域、过渡区域和天线区域；
步骤二、分别创建所述层压板区域、所述过渡区域以及所述天线区域的空间几何模型；
步骤三、对创建的所述空间几何模型中的几何平面和实体划分有限元网格；
步骤四、建立材料属性；
步骤五、建立单元物理特性，完成建模。
优选的，在所述步骤二中：
所述层压板区域创建单层几何面；
选取所述电子天线结构一体化层压板中天线平面尺寸的预定倍数建立所述过渡区域，所述过渡区域按双对角线划分为对称的四个梯形平面；
所述天线区域中的填充胶结构选取楔形实体，所述天线选取六面实体，所述天线及填充胶上下层压板蒙皮建立双层几何面。
优选的，所述步骤二中的预定倍数为2-3倍。
优选的，在所述步骤三中，是利用有限元软件PATRAN划分有限元网格；其中，
网格密度控制参数取2.0，对天线自动均匀划分体网格，单元选取六面体单元Hex；
填充胶实体根据天线网格自动匹配均匀生成有限元网格，网格密度控制参数取2.0，单元选取五面体单元Wedge；
所述天线及填充胶上下层压板蒙皮采用四边形单元Quad，网格自动匹配实体单元；
所述过渡区域按照比例1.1等比递增方式划分网格；
所述层压板区域的压板蒙皮均匀生成有限元网格，网格自动匹配所述过渡区域层压板外围网格。
优选的，在所述步骤三中还包括：
消除面单元与体单元自动匹配带来的重复节点。
优选的，在所述步骤四中：
所述层压板区域的压板蒙皮是采用有限元建模软件PATRAN中的Liminate复合材料模块按[45/-45]4铺层构建复合材料属性，所述填充胶和天线区域的内、外压板蒙皮按[45/-45]2铺层构建复合材料属性；
所述天线的结构材料选取各向同性材料，其力学性能E＝150GPa，μ＝0.17；
所述填充胶材料简化为各向同性材料，其力学性能E＝6MPa，μ＝0.5。
优选的，在所述步骤五中，所述压板蒙皮结构选取板壳单元Shell，所述天线和填充胶选取体单元Solid。
本发明的优点在于：
本发明的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法简单可靠，根据电子天线结构一体化层压板结构特点，建立过渡区域，采取自内而外、由密到疏的方式对过渡区域进行有限元网格划分，采用二维板单元和三维体单元相结合的方法进行有限元建模，即节省了有限元计算分析响应时间，同时又准确模拟天线过渡区域的传力特点，提高了数值仿真计算的精确度。
附图说明
图1是本发明一个优选实施例的电子天线结构一体化层压板区域划分示意图；
图2是本发明电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法中一个优选实施例的空间几何模型的示意图；
图3是本发明电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法中一个优选实施例的网格示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面结合附图1至图3对本发明电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法做进一步详细说明。
本发明提供了一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，包括如下步骤：
步骤一、将电子天线结构一体化层压板划分为层压板区域1、过渡区域2和天线区域3。
步骤二、利用有限元建模软件，根据结构区域划分分别创建层压板区域1、过渡区域2以及天线区域3的空间几何模型。
步骤三、利用有限元软件对创建的空间几何模型中的几何平面和实体划分有限元网格。
步骤四、复合材料层压板结构4采用Liminate方法按复合材料结构的铺层角和顺序进行铺层，建立不同区域层压板的复合材料属性。
步骤五、建立单元物理特性，完成建模。其中，复合材料层压板结构4选取板壳单元，天线基体5和填充胶6选取体单元。
本发明的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法简单可靠，根据电子天线结构一体化层压板结构特点，建立过渡区域，采取自内而外、由密到疏的方式对过渡区域进行有限元网格划分，采用二维板单元和三维体单元相结合的方法进行有限元建模，即节省了有限元计算分析响应时间，同时又准确模拟天线过渡区域的传力特点，提高了数值仿真计算的精确度。
在本发明的一个优选实施例中，选取电子天线结构一体化层压板由上下蒙皮及微型天线组成，天线厚为1.5mm，蒙皮和微型天线假件间填充SY-P11泡沫胶，复合材料采用玻璃纤维织物/3218环氧树脂SW280A/3218，铺层顺序见下图，天线材料为A6LTCC介电陶瓷。
特别如图2所示，在步骤二中，层压板区域创建单层几何面；再选取电子天线结构一体化层压板中天线平面尺寸的预定倍数建立过渡区域，过渡区域(过渡区域的中的层压板创建单层平面)按双对角线划分为对称的四个梯形平面；另外，天线区域中的填充胶结构选取楔形实体，天线选取六面实体，天线及填充胶上下层压板蒙皮建立双层几何面。其中，预定倍数为2-3倍，即取天线平面尺寸的2-3倍建立过渡区域。
在本发明的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法的步骤三中，是利用有限元软件PATRAN划分有限元网格，得到如图3所示的网格；并且，主要是根据微型天线的厚度t选取精度适宜的网格密度控制参数(1/2t～2t)对天线自动均匀划分体网格；在本实施例中，网格密度控制参数取2.0，对天线自动均匀划分体网格，单元选取六面体单元Hex；填充胶实体根据天线网格自动匹配均匀生成有限元网格，网格密度控制参数取2.0，单元选取五面体单元Wedge；天线及填充胶上下层压板蒙皮采用四边形单元Quad，网格自动匹配实体单元；过渡区域按照长度等比1.1～1.5递增方式划分网格，本实施例中优选比例1.1等比递增方式划分网格；层压板区域的压板蒙皮均匀生成有限元网格，网格自动匹配所述过渡区域层压板外围网格。
本发明的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法的步骤三中还包括消除面单元与体单元自动匹配带来的重复节点。
在本发明的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法的步骤四中，层压板区域的压板蒙皮(复合材料蒙皮)是采用有限元建模软件PATRAN中的Liminate复合材料模块按[45/-45]4铺层构建复合材料属性，所述填充胶和天线区域的内、外压板蒙皮按[45/-45]2铺层构建复合材料属性；天线的结构材料选取各向同性材料，其力学性能E＝150GPa，μ＝0.17；填充胶材料简化为各向同性材料，其力学性能E＝6MPa，μ＝0.5。
进一步，在本发明的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法的步骤五中，压板蒙皮结构选取板壳单元Shell，天线和填充胶选取体单元Solid。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将电子天线结构一体化层压板划分为层压板区域、过渡区域和天线区域；
步骤二、分别创建所述层压板区域、所述过渡区域以及所述天线区域的空间几何模型；其中，
所述层压板区域创建单层几何面；
选取所述电子天线结构一体化层压板中天线平面尺寸的预定倍数建立所述过渡区域，所述过渡区域按双对角线划分为对称的四个梯形平面；
所述天线区域中的填充胶结构选取楔形实体，所述天线选取六面实体，所述天线及填充胶上下层压板蒙皮建立双层几何面；
步骤三、对创建的所述空间几何模型中的几何平面和实体划分有限元网格；
步骤四、建立材料属性；
步骤五、建立单元物理特性，完成建模。
2.根据权利要求1所述的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤二中的预定倍数为2-3倍。
3.根据权利要求1所述的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，其特征在于，在所述步骤三中，是利用有限元软件PATRAN划分有限元网格；其中，
网格密度控制参数取2.0，对天线自动均匀划分体网格，单元选取六面体单元Hex；
填充胶实体根据天线网格自动匹配均匀生成有限元网格，网格密度控制参数取2.0，单元选取五面体单元Wedge；
所述天线及填充胶上下层压板蒙皮采用四边形单元Quad，网格自动匹配实体单元；
所述过渡区域按照比例1.1等比递增方式划分网格；
所述层压板区域的压板蒙皮均匀生成有限元网格，网格自动匹配所述过渡区域层压板外围网格。
4.根据权利要求3所述的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，其特征在于，在所述步骤三中还包括：
消除面单元与体单元自动匹配带来的重复节点。
5.根据权利要求4所述的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，其特征在于，在所述步骤四中：
所述层压板区域的压板蒙皮是采用有限元建模软件PATRAN中的Liminate复合材料模块按[45/-45]4铺层构建复合材料属性，所述填充胶和天线区域的内、外压板蒙皮按[45/-45]2铺层构建复合材料属性；
所述天线的结构材料选取各向同性材料，其力学性能E＝150GPa，μ＝0.17；
所述填充胶材料简化为各向同性材料，其力学性能E＝6MPa，μ＝0.5。
6.根据权利要求5所述的电子天线结构一体化层压板的有限元建模方法，其特征在于，在所述步骤五中，所述压板蒙皮结构选取板壳单元Shell，所述天线和填充胶选取体单元Solid。
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