相控陣天線板有限元模型的建立與碰撞建模分析

葉 彬，常 立

山東絲綢紡織職業學院，山東淄博 255300

相控陣天線板有限元模型的建立與碰撞建模分析

葉 彬，常 立

山東絲綢紡織職業學院，山東淄博 255300

首先建立了天線板有限元網格模型，其中對有限元的模型假設、單元類型選擇及網格的質量指標作了簡單說明。然后對天線板滑倒過程的接觸與碰撞問題進行非線性問題分析。

天線板；碰撞模型；有限元

1 天線板有限元模型

1.1 框架有限元網格的劃分

出于對模型劃分網格的整體考慮，因為框架是天線結構的一個基礎，所以需要對其網格先進行劃分。又因為其幾何形狀均為規則四邊形，因此所用的單元類型四邊形，單元邊長均取為10mm。劃分后的模型圖如圖1和圖2所示。

圖1 框架局部圖

圖2 劃分完網格后的框架

1.2 電氣板有限元網格的劃分

實際的電氣板是由10個小板構成的，而每個小板又是由碳纖維夾芯板和印制板構成，而且電氣板上還有一些其它的電子元件，但這些電子元件不在本課題的研究范圍內，所以在劃網格時予以忽略。

1.3 有源安裝板的網格劃分

由于有源安裝板上有許多規則的矩形塊，而各塊的大小卻并不是完全一樣的，如果真接劃分，生成的網格質量將會很差，會存在許多畸形的網格，即使經過多次手動調整，其網格質量也難以達到很好的效果。因此，在劃分安裝板的有限元網格前，先把安裝板的整面劃分為許多小矩形塊，然后再對這此小矩形塊進行劃分網格，這樣所得的網格質量將會很好。

1.4 天線板整體的有限元模型

為有源安裝板和電氣板都是裝配在天線框架上，且連接孔的數目很多，考慮在各板和框架的剛性較好的前提下，本文研究時采用將裝配關系簡化為相應裝配中心直接采用殼單元來連接。最終獲得的天線板有限元模型的裝配圖如圖2、圖3所示。

圖2 天線板有限元模型的局部圖

圖3 天線板有限元模型的整體圖

1.5 模型的檢查

本研究中將天線板的網格單元控制在20mm左右，網格劃分完后，經檢查發現；各個零部件的位置關系和尺寸關系都正確，沒有發生錯亂；節點數在28 000個左右，單元數量在29 000個左右，皆為四邊形的殼單元。單元中，雅可比（jacobi）最低值為0.79；外觀比（aspect ratio）最大值為1.95；翹曲度（warpage）最大值為8.99，只有12個單元大于5；偏斜度（skew）最大值為30.65；內角（angle）在45°～135°范圍之外的只有180個單元。就整體而言，不合格的單元所占的比例很小，網格質量達到了很高的要求。所以從模型離散化的角度而言，已經能保證最后的計算結果有較高的準確度。

2 天線板碰撞與接觸建模

天線板滑倒過程的接觸與碰撞問題屬于非線性問題的范疇，本文采用ABAQUS軟件來對該非線性問題進行分析。

2.1 天線板模型的轉化

在Hypermesh中建立的有限元模型并不能直接用于ABAQUS求解器，而是需要先轉換為ABAQUS求解器需要的*.inp文件。所以，我們要把在前一節中建立的天線板有限元模型以*.inp文件的格式輸出，然后在ABAQUS中打開該*.inp格式的文件。

2.2 天線板碰撞與接觸建模

在ABAQUS中打開天線板有限元模型的*.inp格式的文件后，接下來就要設置分析步、定義接觸、定義載荷和邊界條件。

2.2.1 設置分析步

天線板滑倒過程的接觸與碰撞是一種高度的非線性問題，故選擇ABAQUS/Explicit求解器進行求解。又根據課題的內容，知道天線板開始時是靠在調試平臺上的，初步估計其滑倒過程所需要的總時間為5s，故設置分析步總時間為5s。

在分析步中還需要設置變量輸出結果，以便獲得所需的信息。在該課題中，我們主要是分析天線板滑倒過程的剛度和強度，故只設置應力應變輸出。

2.2.2 定義接觸

天線板在滑倒過程中，電氣板、框架都會跟調試平臺接觸，當其滑到地面時，還會跟人造革地面接觸，而這些接觸關系都應該予以定義，最終我們定義了電氣板與調試平臺、電氣板與人造革地面、框架與調試平臺、框架與人造革地面這四對接觸對。又由課題提供的資料，知道接觸面間的摩擦系數在0.1左右，在此我們選擇摩擦系數為0.1。

2.2.3 定義載荷和邊界條件

天線板滑倒過程中主要受到重力作用，對于其它次要的載荷我們予以忽略，所以我們只定義一個重力載荷，取重力加速度為9.81m/s，方向為豎直向下。對于邊界條件，主要是約束調試平臺及人造革地板沿X、Y、Z三個方向上的平動自由度。在具體建立邊界條件時，對于調試平臺，我們選擇遠離天線板的一側來施加約束X、Y、Z三個方向平動自由度的條件；對于人造革地板，我們選擇其所有的節點來約束其在豎直方向（此處為沿Y軸方向）的自由度，同時選擇其邊沿節點來施加約束X、Z兩個方向上的平動自由度的條件；對于天線板，它只受到人造革地板和桌子的支承，而這些邊界條件已由接觸條件代替，故在此不需再對天線板施加邊界條件。

[1]王睿.相控陣雷達天線的有限元分析[J].雷達與對抗，2005，2：50-52.

[2]任開鋒,李鳳英,宋志行,朱志遠.某機載雷達相控陣天線結構設計[J].電子機械工程，2010，2：43-46.

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1674-6708（2011）50-0111-02