相控陣天線板有限元動力學(xué)仿真分析

葉 彬，郭 超

（山東絲綢紡織職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255300）

1 緒論

相控陣天線作為發(fā)射和接收電磁波的設(shè)備已廣泛地應(yīng)用于軍事和民用電子領(lǐng)域。平面陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要在于天線框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在給定天線陣面平面度要求的情況下，如何合理設(shè)計天線框架的結(jié)構(gòu)就成為一道擺在結(jié)構(gòu)設(shè)計人員面前的難題。天線板在滑倒過程中，會與人造革地面發(fā)生接觸與碰撞，而碰撞時會產(chǎn)生很大的沖擊力，這將會使天線板出現(xiàn)很大的應(yīng)力。因此，要獲取天線板滑倒過程中的有限元動力學(xué)仿真結(jié)果，并根據(jù)所獲得的仿真數(shù)據(jù)來研究天線板在滑倒過程中的動態(tài)應(yīng)力和變形規(guī)律，分析天線板滑倒時的結(jié)構(gòu)損壞原因，為該類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 天線板滑倒過程的有限元動力學(xué)仿真

在運用有限元軟件對天線板滑倒過程進(jìn)行仿真時，建立合適的模型，使天線板在一個將要與人造革地面發(fā)生碰撞的初始位置開始運動，并賦予天線板在該位置一個初始速度，在誤差允許的范圍內(nèi)，該方法是可取的。最終應(yīng)用的碰撞與接觸模型見圖1。

圖1 碰撞與接觸模型圖

3 天線板有限元動力學(xué)仿真結(jié)果分析

3.1 電氣板有限元動力學(xué)仿真結(jié)果

根據(jù)對結(jié)果的觀察，電氣板的應(yīng)力在發(fā)生碰撞后5 ms左右達(dá)到峰值，故對這一時刻的結(jié)果要加以注意。圖2、圖3列出了電氣板在5 ms左右的應(yīng)力、應(yīng)變云圖。

由電氣板的應(yīng)力、應(yīng)變云圖可看出，電氣板邊沿的應(yīng)力、應(yīng)變較大，這主要是由于邊沿部分在碰撞時是主要的受力部分，從而導(dǎo)致其變形比其他地方的大。總的來說，電氣板的應(yīng)力值并不是很大，由應(yīng)力曲線圖可看出最大應(yīng)力值在25 MPa左右。

3.2 框架有限元動力學(xué)仿真結(jié)果

通過對框架的應(yīng)力云圖的觀察，可知峰值應(yīng)力大概出現(xiàn)在碰撞發(fā)生后3 ms左右。由框架的應(yīng)力曲線圖可以看出，框架的最大應(yīng)力在200 MPa左右，遠(yuǎn)大于電氣板的應(yīng)力值，這主要是由于框架作為整個天線板的主要承力構(gòu)件，其剛度較大的緣故。又從應(yīng)力云圖可看出，框架有一側(cè)的應(yīng)力較大，這主要是由于該一側(cè)在開始時是靠在調(diào)試平臺上的，當(dāng)天線板滑倒時，該側(cè)的速度將會很大，在與地面碰撞時，將會造成很大沖擊，形成很大的應(yīng)力，從而出現(xiàn)該側(cè)應(yīng)力值遠(yuǎn)大于另一側(cè)的情況。

圖2 電氣板的應(yīng)力云圖

圖3 電氣板的應(yīng)變云圖

3.3 有源安裝板有限元動力學(xué)仿真結(jié)果

通過對有源安裝板的應(yīng)力云圖的觀察，可知峰值應(yīng)力大概出現(xiàn)在碰撞發(fā)生后 5 ms左右，由安裝板的應(yīng)力曲線圖可以看出，安裝板的最大應(yīng)力值在2 MPa左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于框架的峰值應(yīng)力，同時也比電氣板的峰值應(yīng)力低，這主要是由于安裝板的剛度較其他兩個部分的剛度低，再加上有源安裝板并不像電氣板一樣直接與地面發(fā)生碰撞，所以就出現(xiàn)了有源安裝板的峰值應(yīng)力低于其他兩個部分的情況。

3.4 天線板有限元動力學(xué)仿真結(jié)果分析

由天線板各構(gòu)件材料的許用應(yīng)力可知，有源安裝板材料的許用應(yīng)力在200 MPa以上，壓電材料的許用應(yīng)力也皆在200 MPa以上，而框架的材料為碳纖維，其許用應(yīng)力在1 000 MPa以上，而從仿真分析所獲得的天線板在滑倒過程中各個部件的峰值應(yīng)力可知，這些峰值應(yīng)力皆遠(yuǎn)低于相應(yīng)的天線板各組成部件的材料的許用應(yīng)力。所以從強度上來講，天線板的強度無疑是符合要求的。又從天線板各部件的應(yīng)變云圖及相應(yīng)的應(yīng)變曲線圖可知，天線板在碰撞過程中，框架和電氣板的應(yīng)變量皆較小，而安裝板的應(yīng)變量卻很大，達(dá)到0.016，這說明安裝板的剛性并不是很理想，有待進(jìn)一步加強。

4 天線板剛度和強度的加強措施

4.1 框架剛度和強度的加強措施

加設(shè)輔助支撐提高骨架平面抗扭能力；局部形成硬殼式結(jié)構(gòu)；確保連接接頭的連續(xù)性；增加承力梁節(jié)點的剛性（如增加節(jié)點板）；采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)；局部采用復(fù)合材料加固（如將碳纖維材料用于梁的緣翼）；增大天線骨架透空性，回避最不利受力方向；合理設(shè)計梁截面形狀，充分發(fā)揮材料性能。

4.2 有源安裝板和電氣板剛度和強度的加強措施

對于提高天線板的剛度和強度，除了可以通過加強框架的剛度和強度來達(dá)到目的外，還可以通過加強有源安裝板及電氣板的剛度和強度來達(dá)到提高天線板的剛度和強度的目的。要達(dá)到提高有源安裝板和電氣板的剛度和強度，可以在保證電性能要求的前提下，通過在結(jié)構(gòu)上合理布置板上用于安裝電子元件的孔，以達(dá)到提高剛度和強度的目的，此外還可以通過合理設(shè)計用于組成電氣板和安裝板的蜂窩板的結(jié)構(gòu)來達(dá)到提高剛度和強度的目的。