MSC Patran/Nastran軟件在7.5m天線結構的應用

李增科,武織才,李印濤

（中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

目前,天線的結構設計分析已自成體系,其中關鍵部分就是設計模型的建立及在此基礎上進行的剛強度分析計算。以往多采用經驗類比設計與傳統材料力學簡化計算相結合的方法,但這一方法在很大程度上取決于設計人員的經驗,并且往往使設計偏于保守,致使產品重量大、成本高,尤其在當前客戶要求越來越多樣化的情況下,已不能適應瞬息萬變的市場要求。

Patran和Nastran是美國MSC公司開發的用于工程校驗有限元分析和計算機仿真的軟件。Patran軟件是有限元分析的前后處理軟件,它可使用戶通過圖形交互界面創建幾何模型,以及設置模型參數,并將計算結果以多種方式提供給用戶。Nastran軟件作為有限元分析求解器,可進行諸如靜力學、動力學、非線形及熱學等分析。

該7.5m天線是以MSC Patran/Nastran計算仿真為基礎,從而得出主要結構數據。經過測試,天線的各項技術指標均滿足要求。

1 問題的提出

天線結構是一種大型精密機械結構。對于大型反射面天線來說,要求具有很好的剛度,欲提高天線的剛度,需增大桿件橫截面面積與加大板殼厚度,這又反過來增加了其自重載荷,從而導致自重變形增大。可見,增加天線的剛度與降低自重變形,成為天線結構設計中一對明顯的矛盾。

實際反射面的形狀總不能與理論反射面完全一致,而有一定的誤差。這種誤差對天線增益的影響按Ruze公式可定量地描述為:

式中,ns為天線增益下降系數;G為無表面誤差時天線的增益;G0為有表面誤差時天線的增益;δ為天線表面各點半光程差的均方根值:λ為工作波長。

采用分貝來表示增益下降系數,式（1）可寫成:

由式（1）和（2）可見:表面誤差增大,天線增益將明顯下降。因此,有必要分析天線的表面誤差。

按照理想情況,饋源的相位中心應該與焦點完全重合,但由于饋源支桿及天線背架的變形,使得饋源存在偏焦誤差。偏焦分為縱向偏焦和橫向偏焦。縱向偏焦使得天線增益降低,旁瓣電平升高;橫向偏焦使得天線方向圖主瓣最大輻射方向將偏離軸線。

基于上述原因,有必要對天線進行力學分析,使其不僅要有足夠的強度,而且應使結構變形限制在允許的范圍內。同時,重量要輕。

2 結構分析

在確定了載荷、不同工況及幾何拓撲形式后,可使用MSC Patran/Nastran軟件進行有限元結構分析,主要有以下7個步驟。

（1）建幾何模型

幾何模型是有限元模型的基礎,一般而言,幾何模型的復雜程度決定了有限元模型的復雜程度,因此幾何模型要求能夠如實地反映該天線結構的重要力學特性的同時,還要應對結構進行簡化,忽略不必要的細節特征。在此基礎上建立的有限元模型才能夠減少單元的數量,簡化單元的形態,縮小計算規模,又可以保證較高的計算精度。

根據7.5m天線的結構特性,將天線的面板和中心體中的底板、筋板等板殼結構處理為殼單元;面板背架等桁架結構處理為梁單元。

（2）劃分有限元網格

網格劃分,即對幾何模型的離散化,是建立有限元模型的中心工作,模型的合理性很大程度上可以通過所劃分的網格形式反映出來,網格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度。目前廣泛采用自動或半自動網格劃分方法。對該天線進行網格劃分時采用自動劃分,殼單元采用四邊形單元quad4,梁單元拓撲類型選取bar2。劃分完成后對單元進行檢察,對形狀不好的單元重新劃分或進行優化,以免影響到解算的精度和速度。最終建立天線結構的有限元模型如圖1所示。模型中單元數為67091個,節點數為62341個,單元類型包括梁單元、殼單元和質量元。

圖1 天線有限元模型圖

（3）設定邊界條件

天線載荷主要包括風力、裹冰及積雪載荷、天線運動時的慣性載荷、自重等。這里只考慮風力和自重載荷。7.5m天線的最大工作風速為20m/s,俯仰范圍為10°～40°。根據風向的不同和俯仰姿態的不同,計算時選取正吹、背吹和側吹3種風向,以及10°、25°和40°三種俯仰角進行組合,共計9種工況進行分析。自重載荷在給定重力加速度后,軟件會自動處理。天線所受風載荷m2由公式計算:

F=CFqA,

式中,CF為風力系數,該系數與物體的形狀和雷諾數Re有關,可由風洞實驗得到。q為動壓,q=v2/16;v為風速;A為面板口徑面積。約束位置在中心體底部支耳處。

（4）定義各項材料屬性

分析中通過彈性模量、泊松比、密度等參數,以數值的形式來描述材料的屬性。不同的材料賦予不同的參數。該天線主要是采用Q235鋼和鋁合金加工而成的。Q235鋼的彈性模量為210GPa,泊松比為0.3,密度為7800kG/m3;鋁合金的彈性模量為70GPa,泊松比為0.33,密度為2700kG/m3。

（5）定義單元特性

該過程就是根據天線實際結構中板殼的厚度和輻射梁等桿件的截面形狀及其使用材料和受力特性等,在有限元模型中賦予單元相應的物理特性,確定單元的類型（例如shell,bar,beam,rod,solid等）,定義單元的材料、截面特性等。

（6）定義分析類型

Nastran支持眾多的結構分析類型,主要包括:靜力分析、非線性靜力分析、屈曲分析、自然模態、復模態、頻率響應、瞬態響應、非線性瞬態響應等,不同的分析類型要求給定不同的參數。根據7.5m天線的受力特性選擇靜力分析,靜力分析不需要給定任何參數。

（7）解算及查看分析結果（Result）

Nastran根據指定的控制信息,生成對應解算器的輸入文件,提交解算器運算分析。根據Nastran的計算結果,Patran能以結構變形圖、應力云紋圖、矢量圖、張量圖、xy坐標曲線圖、圖形符號以及動畫、文本等多種方式處理有限元分析結果。

3 數據分析及測試結果

3.1 數據分析

經有限元分析得出應力及位移結果后,進行數據處理,可得到天線的主要結構指標,如表1所示。天線在任意俯仰角的情況下,天線結構最大應力出現在風向背吹時,原因如下:考慮重力的影響下,雖然風背吹時風力系數小于風正吹,但是由于重力所產生的力矩與風正吹時的風力矩相反,而與風背吹時的風力矩相同,所以會出現風背吹時天線應力大于風正吹時天線應力。

表1 天線主要結構指標

3.2 測試結果

本天線采取反射腔輻射器作為天線饋源,經仿真軟件仿真其天線中心頻率第一旁瓣電平值為-22dB,本天線采取反射腔輻射器作為天線饋源,經仿真軟件仿真其天線中心頻率第一旁瓣電平值為-22dB,如圖2所示,實測天線中心頻率方向圖與仿真設計基本吻合,波束寬度、增益以及效率等相關指標均滿足設計和指標要求。從而驗證了設計結構的正確性。

圖2 實測天線中心頻率方向圖

4 結束語

通過利用MSC Patran/Nastran有限元分析軟件對某天線結構的靜力學分析,得到如下結論:天線結構設計合理,靜力學性能滿足系統的剛/強度指標要求,分析結果可以作為確定天線結構設計方案的參考依據;MSC Patran/Nastran軟件是一款十分優秀的有限元分析軟件,能夠對系統結構進行有效而可靠的分析,使設計工作效率和可靠性得到提高,同時對設計思路的改進也有很大的幫助。

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