CN106156429B - 一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法 - Google Patents

一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法，所述基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法包括以下步骤：首先在薄膜反射面和电极面上贴置测量靶标点，利用摄影测量技术得到靶标点的坐标信息；然后将靶标点按照三角形单元进行拓扑连接；最后将靶标点的坐标信息和拓扑信息代入ANSYS中进行有限元建模分析。采用本发明得到的静电成形薄膜反射面有限元模型比按照设计参数建模计算结果更为准确，很好的解决了有限元模型与实物模型不匹配的问题。与现有技术相比，本发明得到的静电成形薄膜反射面有限元模型比按照设计参数建模计算结果更为准确，很好的解决了有限元模型与实物模型不匹配的问题。

Description

一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域，尤其涉及一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法。
背景技术
静电成形薄膜反射面天线(ECDMA)的工作原理是在镀有金属层的薄膜反射面和控制电极上施加不同的电压(一般薄膜为等效零势面，电极为高电势)，产生静电力对薄膜进行拉伸，从而使薄膜形成具有一定焦径比的反射面。由于电极电压可以通过电源进行实时调整，能够实现对反射面形面误差的及时补偿。为保证静电成形薄膜反射面天线工作状态下的精度，必须精确计算薄膜在静电力载荷作用下的变形。
然而业内普遍存在的问题是，根据设计参数建立静电成形薄膜天线有限元模型分析结果往往无法准确描述实物真实变形情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法，旨在解决业内普遍存在的根据设计参数建立柔性结构有限元模型无法与实物模型的静力学特性准确对应的问题。本发明不仅限于建立静电成形薄膜天线有限元模型，此处只是一个特例，对于充气天线、索网天线等柔性结构或者根据实物外形几何信息进行有限元建模方面本发明仍然适用。
本发明是这样实现的，一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法，所述基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法包括以下步骤：
首先在薄膜反射面和电极面上贴置测量靶标点，利用摄影测量技术得到靶标点的坐标信息；
然后将靶标点按照三角形单元进行拓扑连接；
最后将靶标点的坐标信息和拓扑信息代入ANSYS中进行有限元建模分析。
进一步，所述基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法具体包括以下步骤：
(1)在静电成形薄膜反射面天线实物模型的薄膜反射面和电极面上贴置M个测量靶标点，薄膜反射面中心贴置一个靶标点O，其余的按照圆环方式布置m环靶标点；
(2)在地面贴置3个标志点A、B、C，3个标志点构成的向量满足
(3)利用摄影测量设备得到M个测量靶标点和3个标志点的坐标，将靶标点坐标转换到由3个标志点构成的局部坐标系下，并按照距离和角度关系进行靶标点编号排序，并将排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中；
(4)利用MATLAB中的delaunay命令将M个测量靶标点用N＝N1+N2个三角形单元进行拓扑连接，有N1个薄膜三角形单元和N2个电极三角形单元，并将三角形拓扑连接关系存入ElemsNode.txt文件中；
(5)设置静电成形薄膜反射面天线材料属性，包括薄膜弹性模量E，薄膜厚度t和泊松比μ；
(6)利用ANSYS的APDL语言，读入NodesPosition.txt和ElemsNode.txt文件，在有限元模型中相应建立M个节点和N个三角形单元；
(7)给定静电成形薄膜反射面天线有限元模型约束条件，包括给定薄膜反射面边界节点位移约束；
(8)给定电场参数，包括电极电压U和真空介电常数ε0，根据电极面三角形单元与薄膜面三角形单元相对位置关系进行静电力载荷的施加；
(9)给定薄膜初始预应力，计算静电力载荷在静电成形薄膜反射面天线有限元模型中产生的形变，并与实际测量值进行比对。
进一步，所述利用摄影测量设备得到M个测量靶标点和3个标志点的坐标，将靶标点坐标转换到由3个标志点构成的局部坐标系下，并按照距离和角度关系进行靶标点编号排序，并将排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中具体包括如下步骤：
标志点A作为坐标系原点，向量的方向为X轴，向量的方向为Y轴，向量的方向为Z轴，建立局部坐标系oxyz；
M个测量靶标点转换到局部坐标系oxyz下；
测量靶标点在一个圆环上的点分组，共m组；
每组按靶标点与点O所成向量在平面oxy的投影与X轴所成角度的大小进行排序；
输出排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中。
进一步，所述给定电场参数，根据电极面三角形单元与薄膜面三角形单元相对位置关系进行静电力载荷的施加具体包括以下步骤：
令k＝1，k为薄膜单元编号；
记第k号薄膜单元的中心点Dk的坐标为其中为第k号薄膜单元的三个节点坐标；点Dk在电极面投影点所在的电极单元号记为i，记第i号电极单元的中心点Di的坐标为其中为第i号薄膜单元的三个节点坐标，计算出点Dk到该电极单元中心点Di的距离
在第k号薄膜单元上施加静电力载荷
判断k的大小，若k≤N1，令k＝k+1，转到算第k号薄膜单元的中心点Dk的坐标；若k＞N1，转到完成薄膜反射面单元静电力载荷的施加；
完成薄膜反射面单元静电力载荷的施加。
本发明提供的基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法，采用本发明得到的静电成形薄膜反射面有限元模型比按照设计参数建模计算结果更为准确，很好的解决了有限元模型与实物模型不匹配的问题。与现有技术相比，本发明得到的静电成形薄膜反射面有限元模型比按照设计参数建模计算结果更为准确，很好的解决了有限元模型与实物模型不匹配的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法流程图。
图2是本发明实施例提供的实施例1的流程图。
图3是本发明实施例提供的利用摄影测量设备得到测量靶标点，将排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中的流程图。
图4是本发明实施例提供的给定电场参数，根据电极面三角形单元与薄膜面三角形单元相对位置关系进行静电力载荷的施加的流程图。
图5是本发明实施例提供的根据实物测量信息建立薄膜反射面单元示意图。
图6是本发明实施例提供的根据实物测量信息建立电极面单元示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是静电成形薄膜反射面天线有限元建模分析方法，用于准确建立静电成形薄膜反射面天线有限元模型，其中基于实物测量信息建立有限元模型的方法具有普适性。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例的基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法包括以下步骤：
S101：首先在薄膜反射面和电极面上贴置测量靶标点，利用摄影测量技术得到靶标点的坐标信息；
S102：然后将靶标点按照三角形单元进行拓扑连接；
S103：最后将靶标点的坐标信息和拓扑信息代入ANSYS中进行有限元建模分析。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1：
如图2所示，本发明实施例的基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法包括以下步骤：
(1)在静电成形薄膜反射面天线实物模型的薄膜反射面和电极面上贴置M个测量靶标点，其中薄膜反射面中心贴置一个靶标点O，其余的按照圆环方式布置m环靶标点；
(2)在地面贴置3个标志点A、B、C，要求3个标志点构成的向量满足
(3)利用摄影测量设备得到M个测量靶标点和3个标志点的坐标，将靶标点坐标转换到由3个标志点构成的局部坐标系下，并按照距离和角度关系进行靶标点编号排序，并将排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中；
(4)利用MATLAB中的delaunay命令将M个测量靶标点用N＝N1+N2个三角形单元进行拓扑连接，有N1个薄膜三角形单元和N2个电极三角形单元，并将三角形拓扑连接关系存入ElemsNode.txt文件中；
(5)设置静电成形薄膜反射面天线材料属性，包括薄膜弹性模量E，薄膜厚度t和泊松比μ；
(6)利用ANSYS的APDL语言，读入NodesPosition.txt和ElemsNode.txt文件，在有限元模型中相应建立M个节点和N个三角形单元；
(7)给定静电成形薄膜反射面天线有限元模型约束条件，包括给定薄膜反射面边界节点位移约束；
(8)给定电场参数，包括电极电压U和真空介电常数ε0，根据电极面三角形单元与薄膜面三角形单元相对位置关系进行静电力载荷的施加；
(9)给定薄膜初始预应力，计算静电力载荷在静电成形薄膜反射面天线有限元模型中产生的形变，并与实际测量值进行比对。
如图3所示，所述的步骤(3)，具体包括如下步骤：
1、将标志点A作为坐标系原点，向量的方向为X轴，向量的方向为Y轴，向量的方向为Z轴，建立局部坐标系oxyz；
2、将M个测量靶标点转换到局部坐标系oxyz下；
3、将测量靶标点在一个圆环上的点分组，共m组；
4、将每组按靶标点与点O所成向量在平面oxy的投影与X轴所成角度的大小进行排序；
5、输出排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中。
如图4所示，所述的步骤(8)，具体涉及如下步骤：
1、令k＝1，k为薄膜单元编号；
2、记第k号薄膜单元的中心点Dk的坐标为其中为第k号薄膜单元的三个节点坐标；点Dk在电极面投影点所在的电极单元号记为i，记第i号电极单元的中心点Di的坐标为其中为第i号薄膜单元的三个节点坐标，计算出点Dk到该电极单元中心点Di的距离
3、在第k号薄膜单元上施加静电力载荷
4、判断k的大小，若k≤N1，令k＝k+1，转到步骤302；若k＞N1，转到步骤305；
5、完成薄膜反射面单元静电力载荷的施加。
下面结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。
仿真条件：
静电成形薄膜反射面材料采用各向同性聚酰亚胺薄膜，薄膜材料参数：厚度t＝25μm，弹性模量E＝2.17GPa，泊松比μ＝3.14，热膨胀系数α＝29×10-6/℃；电场相关参数：真空介电常数ε0＝8.85×10-12F/m，电极电压U＝4000V。根据实物测量信息建立的静电成形薄膜反射面单元如图5，共有N1＝1100个薄膜三角形单元，薄膜反射面裙边顶点要求位移全固定；根据实物测量信息建立的电极面单元如图6，共有N2＝54个三角形单元，电极单元节点全固定。薄膜初始预应力利用降温法施加，给定ΔT＝-0.01℃。为了体现本发明的准确性，此处将有限元模型与实物测量模型进行比对，对比数据为有限元分析模型中的各节点在自重平衡状态和静电力载荷变形后平衡位置与实物模型靶标点变形前后各节点位置相对于同一拟合面的形面精度。结果如表1。
表1计算结果比较
单位/mm
形面精度(测量) 形面精度(仿真) 差值
自重 1.5986 1.6344 0.0358
自重+静电力 1.7261 1.6661 0.0601
由表1可知，根据本发明建立的静电成形薄膜反射面天线有限元模型与实物在自重平衡状态和静电力载荷平衡状态下均有很好的吻合程度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法，其特征在于，所述基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法包括以下步骤：
首先在薄膜反射面和电极面上贴置测量靶标点，利用摄影测量技术得到靶标点的坐标信息；
然后将靶标点按照三角形单元进行拓扑连接；
最后将靶标点的坐标信息和拓扑信息代入ANSYS中进行有限元建模分析；
所述基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法具体包括以下步骤：
(1)在静电成形薄膜反射面天线实物模型的薄膜反射面和电极面上贴置M个测量靶标点，薄膜反射面中心贴置一个靶标点O，其余的按照圆环方式布置m环靶标点；
(2)在地面贴置3个标志点A、B、C，3个标志点构成的向量满足
(3)利用摄影测量设备得到M个测量靶标点和3个标志点的坐标，将靶标点坐标转换到由3个标志点构成的局部坐标系下，并按照距离和角度关系进行靶标点编号排序，并将排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中；
(4)利用MATLAB中的delaunay命令将M个测量靶标点用N＝N1+N2个三角形单元进行拓扑连接，有N1个薄膜三角形单元和N2个电极三角形单元，并将三角形拓扑连接关系存入ElemsNode.txt文件中；
(5)设置静电成形薄膜反射面天线材料属性，包括薄膜弹性模量E，薄膜厚度t和泊松比μ；
(6)利用ANSYS的APDL语言，读入NodesPosition.txt和ElemsNode.txt文件，在有限元模型中相应建立M个节点和N个三角形单元；
(7)给定静电成形薄膜反射面天线有限元模型的约束条件，包括节点位移约束；
(8)给定电场参数，包括电极电压U和真空介电常数ε0，根据电极面三角形单元与薄膜面三角形单元相对位置关系进行静电力载荷的施加；
(9)给定薄膜初始预应力，计算静电力载荷在静电成形薄膜反射面天线有限元模型中产生的形变，并与实际测量值进行比对。
2.如权利要求1所述的基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法，其特征在于，所述利用摄影测量设备得到M个测量靶标点和3个标志点的坐标，将靶标点坐标转换到由3个标志点构成的局部坐标系下，并按照距离和角度关系进行靶标点编号排序，并将排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中具体包括如下步骤：
标志点A作为坐标系原点，向量的方向为X轴，向量的方向为Y轴，向量的方向为Z轴，建立局部坐标系oxyz；
M个测量靶标点转换到局部坐标系oxyz下；
将测量靶标点在一个圆环上的点分组，共m组；
每组按靶标点与点O所成向量在平面oxy的投影与X轴所成角度的大小进行排序；
输出排序后的靶标点坐标存入NodesPosition.txt文件中。
3.如权利要求1所述的基于实物信息的静电成形薄膜天线有限元建模方法，其特征在于，所述给定电场参数，根据电极面三角形单元与薄膜面三角形单元相对位置关系进行静电力载荷的施加具体包括以下步骤：
令k＝1，k为薄膜单元编号；
计算第k号薄膜单元的中心点Dk的坐标其中为第k号薄膜单元的三个节点坐标，点Dk在电极面投影点所在的电极单元号记为i，计算第i号电极三角形单元的中心点Di的坐标其中为第i号电极三角形单元的三个节点坐标，计算出点Dk到该电极单元中心点Di的距离δi,k；
在第k号薄膜单元上施加静电力载荷
判断k的大小，若k≤N1，令k＝k+1，转到算第k号薄膜单元的中心点Dk的坐标；若k＞N1，转到完成薄膜反射面单元静电力载荷的施加；
完成薄膜反射面单元静电力载荷的施加。
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