王 晨，陳斯文，王 超，張繼成

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室， 江蘇 南京 210013)

天線陣面結(jié)構(gòu)剛度性能分析方法研究*

王 晨1，陳斯文2，王 超1，張繼成1

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室， 江蘇 南京 210013)

天線陣面結(jié)構(gòu)的剛度性能是天線設(shè)計中需要重點關(guān)注的設(shè)計指標(biāo)，其性能的優(yōu)劣將影響相關(guān)電訊指標(biāo)的可實現(xiàn)性。文中以兩個典型的天線陣面結(jié)構(gòu)為分析對象，詳細(xì)介紹了陣面結(jié)構(gòu)有限元模型(FEM)的構(gòu)建技術(shù)、陣面結(jié)構(gòu)固有振動特性、剛度和強度性能的分析方法，并深入研究了HYPERWORKS和MSC-NASTRAN在天線陣面剛度/精度分析方面的一體化分析技術(shù)。最后，通過對陣面結(jié)構(gòu)剛度的分析提出了陣面結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計方案，有效提高了陣面結(jié)構(gòu)的剛度性能。

天線陣面；剛度性能；有限元；改進設(shè)計

引 言

現(xiàn)代雷達(dá)產(chǎn)品普遍具有研發(fā)周期短、性能要求高、成本控制嚴(yán)等要求。想要在較短的時間內(nèi)完成產(chǎn)品的研制，采用計算機輔助工程(CAE)等現(xiàn)代化輔助分析技術(shù)是必不可少的[1-2]。天線骨架作為整個天線的主要承力部件，既要保證天線結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下不被破壞，又要確保天線能夠保持高精度的電訊性能，因此在天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計階段，必須對其進行必要的剛強度分析與校核，而有限元仿真計算是驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計是否符合剛強度要求的重要依據(jù)。目前有限元仿真技術(shù)在雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[3-5]。

雷達(dá)在工作中會受到風(fēng)載、自身重力、轉(zhuǎn)動慣性力及沖擊等多種載荷的共同作用，為了使得雷達(dá)在一般環(huán)境條件下能正常工作且能在惡劣的環(huán)境條件下不被破壞，需對雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)的剛度和強度性能進行分析和評價，并根據(jù)分析結(jié)果對天線陣面提出合理的改進設(shè)計方案，為天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進提供技術(shù)支持。

現(xiàn)在普遍應(yīng)用于天線陣面剛度/強度分析的商業(yè)軟件有ANSYS、ABAQUS及MSC-NASTRAN等。由于HYPERWORKS軟件在復(fù)雜形面前后處理(前處理：HYPERMESH，后處理：HYPERVIEW)方面的優(yōu)異性能，使其得到越來越多的應(yīng)用。因此，進一步研究HYPERWORKS和MSC-NASTRAN在天線陣面剛度/精度分析方面的一體化分析技術(shù)就顯得十分必要。

本文首先以某典型的艦載雷達(dá)和地面雷達(dá)為分析對象，分別介紹了運用HYPERVIEW軟件進行陣面結(jié)構(gòu)的建模技術(shù)、陣面結(jié)構(gòu)剛度分析方法、采用HYPERVIEW和EXCEL軟件對陣面結(jié)構(gòu)剛度性能/精度進行評價，并以地面雷達(dá)為例介紹了陣面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法。

1 天線陣面結(jié)構(gòu)的建模技術(shù)

為了使建立的有限元模型能夠較真實地反應(yīng)陣面結(jié)構(gòu)的實際受力狀況，需對陣面采取合理的簡化(如緊固件等連接方式的模擬、局部圓孔/方孔的處理)。在HYPERMESH軟件中可通過MATS模塊定義材料屬性、PROPS模塊定義零件的截面屬性、CHECK ELEMENT模塊檢查單元網(wǎng)格質(zhì)量、AUTOMESH模塊劃分高質(zhì)量的單元……，通過HYPERMESH軟件的這些方法建立的某一艦載雷達(dá)模型如圖1所示，某一地面雷達(dá)模型如圖2所示。

圖1 某一艦載雷達(dá)的有限元模型

圖2 某地面雷達(dá)的有限元模型

同時為了進一步提高模型的分析精度，需對模型的相關(guān)指標(biāo)進行檢查，表1列出了圖1所示艦載雷達(dá)模型質(zhì)量的檢查結(jié)果。

表1 某一艦載雷達(dá)模型質(zhì)量檢查

2 天線陣面結(jié)構(gòu)剛度/強度性能分析

2.1 天線陣面結(jié)構(gòu)固有振動特性分析

天線陣面結(jié)構(gòu)的固有振動特性是分析其自身剛度性能(艦載雷達(dá)一般要求其最低階模態(tài)頻率不低于某一限值)及其分布的重要方法，通過對其進行固有振動特性的分析，還可以初步分析其在隨機激勵載荷下的強度性能。

在HYPERMESH/NASTRAN模塊中可通過EIGRL卡片定義所分析模型的固有振動特性的頻率范圍、階次、歸一化方法等信息。通過對圖1所示的艦載雷達(dá)陣面進行分析，得到其第1階振動的固有振動頻率為42.93 Hz，對應(yīng)的模態(tài)陣型如圖3所示。

圖3 第1階固有振動的模態(tài)陣型

2.2 天線陣面結(jié)構(gòu)剛度/強度特性分析

天線陣面結(jié)構(gòu)剛度性能是重要的結(jié)構(gòu)性能，其反射面的平面度(均方根值)將對雷達(dá)的電訊指標(biāo)的實現(xiàn)產(chǎn)生重要影響。在HYPERMESH/NASTRAN模塊中，可通過GRAV卡片定義重力方向和重力加速度大小；利用RFORCE定義轉(zhuǎn)動慣量的慣性軸及轉(zhuǎn)動加速度；另外可以通過LOAD模塊對各種載荷進行綜合分析。

圖2所示的地面雷達(dá)的天線結(jié)構(gòu)的主要組成有：反射網(wǎng)(模型中僅考慮質(zhì)量效應(yīng))、刀片(殼單元)、反射面撐桿(梁單元)、各上下分塊間的連接座(實體單元)、饋源支架(梁單元)、饋源喇叭(集中質(zhì)量單元模擬)等。以該天線結(jié)構(gòu)為對象，分析其在以下兩種工況下的剛度/強度性能：1)自身重力；2)自身重力 + 20 m/s風(fēng)載(正向/背向) + 4 r/min轉(zhuǎn)速。圖4和圖5列出了天線陣面在自身重力作用下的變形(最大變形為3.35 mm)分布及反射面撐桿的應(yīng)力分布(最大應(yīng)力為18.3 MPa)，滿足強度性能要求。

圖4 天線陣面的變形分布(單位：mm)

圖5反射面撐桿的應(yīng)力分布(單位：MPa)

2.3 天線陣面結(jié)構(gòu)精度分析方法

陣面結(jié)構(gòu)變形量的均方根值是評價其在各種載荷作用下工作精度的重要指標(biāo)，這一節(jié)將詳細(xì)介紹利用HYPERVIEW及EXCEL軟件對MSC-NASTRAN的分析結(jié)果進行處理得到陣面變形的均方根值的方法，具體的分析流程如下：

1)按照要求選擇合適的間距在天線陣面上選取足夠的采樣點；

2)通過一定處理(如先備份模型，再在備份模型上刪除除采樣點以外的所有模型信息)得到只有采樣點的模型文件**.dat，該文件里會有各采樣點的節(jié)點號、節(jié)點坐標(biāo)(X、Y、Z)，圖6列出了該文件中的部分節(jié)點信息的格式；

GRID 41355 1710.0 4255.801-3757.13

GRID 41384 1995.0 4212.95-3721.09

GRID 41565 1425.0 4292.04-3787.48

GRID 41774 570.00024360.833-3845.22

GRID 41803 855.00024344.316-3831.57

GRID 42006 1140.0 4321.582-3812.26

GRID 42383 -285.0 4370.648-3853.43

GRID 42412 2.50E-044373.912-3856.17

圖6 模型文件**.dat中的數(shù)據(jù)格式

3)將節(jié)點信息粘貼到Excel中的一列，再通過MID函數(shù)分離出各節(jié)點的編號以及X軸、Y軸和Z軸的坐標(biāo)；

4)通過HYPERVIEW軟件讀取MSC-NASTRAN軟件的結(jié)果文件**.op2，并在如圖7所示的Result Type模塊中選擇變形的方向(X、Y、Z和Mag)，然后在Measure Groups中建立新的測量模塊，并在Ralative Displacement模塊中點擊模型中的任意一節(jié)點即可輸出其變形信息。將上述結(jié)果文件保存成**.mvw文件；

圖7 陣面節(jié)點位移輸出模塊

5)打開上述**.mvw文件，將里面“*NodeLocator(“1 Part ** Node *****”*)”拷貝到Excel表格中，將節(jié)點號轉(zhuǎn)換第2步中確定的節(jié)點號，形成類似圖8所示的數(shù)據(jù)形式；

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41355")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41384")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41565")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41774")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41803")

*NodeLocator("1 Part 15 Nodel 42006")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42383")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42412")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42615")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42992")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 43021")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 43224")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 43601")

圖8 數(shù)據(jù)采集點的表示形式

6)將第5步中的所有內(nèi)容都拷貝到通過第4步生成的mvw文件中的*NodeLocator (“1 Part ** Node ******”)的位置，并覆蓋原有類似內(nèi)容并保存；

7)在HYPERVIEW中打開第6步中保存的mvw文件，在如圖7所示的窗口中選擇Measure Group 3中所有的節(jié)點，并在Creat curve中選擇變形值的方向及生成曲線的窗口(一般重建一個HyperGraph窗口)，即可生成如圖9所示的各測點的變形值。

圖9 各測點的變形值

8)將第7步生成的各參考點的變形曲線轉(zhuǎn)換成文本文件；

9)將生成的文本文件拷貝到Excel中的某一列中，利用Excel的Value命令提取出各節(jié)點的變形量。

10)對第9步中求得的各采樣點的變形量進行分析，求得陣面的變形量的均方根值。

3 天線陣面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對圖2所示的地面雷達(dá)進行陣面結(jié)構(gòu)剛度/強度分析時，根據(jù)天線陣面結(jié)構(gòu)變形分布的特點不斷對其結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，以提高陣面結(jié)構(gòu)的剛度性能。該陣面在設(shè)計中的優(yōu)化流程如圖10所示。

圖10 天線陣面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計流程

優(yōu)化設(shè)計后的天線陣面結(jié)構(gòu)變形量的均方根值由7.14 mm提高到2.37 mm，最終滿足了電訊指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

探討了利用HYPERMESH/NASTRAN軟件對天線陣面結(jié)構(gòu)進行建模的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對兩種典型陣面結(jié)構(gòu)進行了剛度/強度及振動特性的分析，并對某一典型地面雷達(dá)的天線結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，提高了陣面結(jié)構(gòu)反射面的精度。深入研究了HYPERWORKS和MSC-NASTRAN軟件求解天線陣面結(jié)構(gòu)剛度/精度的分析方法(流程)。這些分析工作可對相關(guān)項目的工作提供有益幫助。

[1] 王勖成. 有限單元法[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 張洪武, 關(guān)振群. 有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[3] 操衛(wèi)忠, 陶曉英. 某車載雷達(dá)天線骨架結(jié)構(gòu)的有限元分析[J]. 電子機械工程, 2014, 30(3): 57-60.

[4] 查金水. 某米波雷達(dá)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 電子機械工程, 2012, 28(2): 26-29.

[5] 陳玉振, 周勤. 基于ANSYS的雷達(dá)結(jié)構(gòu)強度分析[J]. 電子機械工程, 2011, 27(1): 51-52.

[6] 王昭. 某相控陣天線陣面靜態(tài)仿真分析[J]. 電子機械工程, 2012, 28(6): 23-26.

王 晨(1981-)，男，工程師，主要研究方向為有源相控陣陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Analysis Methods of Stiffness Performance of Antenna Array Structure

WANG Chen1，CHEN Si-wen2，WANG Chao1，ZHANG Ji-cheng1

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.NavalRepresentativeOfficeofElectronicEquipmentResidentinNanjingArea,Nanjing210013,China)

More attentions will be paid on stiffness performance when antenna array is designed. Stiffness performance quality will affect the realization of telecommunications indicators. In this paper, construction technology of finite element model (FEM), natural vibration characteristics and stiffness/strength performance of antenna array were analyzed based on two typical antenna array structures. And then design methods for stiffness performance/profile accuracy of antenna array were researched through HYPERWORKS and MSC-NASTRAN. Finally, based on the analysis result of the stiffness performance of antenna array, the improved design methods were proposed and the stiffness was improved effectively.

antenna array; stiffness performance; finite element; improved design

2016-03-17

TN823.+27

A

1008-5300(2016)03-0035-03