（机械电子工程专业论文）大型天线结构机电协同分析.pdf

1i 燃料必 摘要 本文以反射面天线为研究对象，以反射面天线的机电综合分析为研究目标，在 异构软件集成与电磁软件自动化运行的基础上，研究设计了大型天线机电综合分 析系统。该系统解决了天线设计中结构与电磁相脱节的现状，完成了大型反射面 天线从结构分析到电磁分析的仿真设计，为结构和电磁设计人员提供了一个简单、 实用的综合分析工具平台。 在对反射面天线的机电综合分析中，首先，本文基于有限元建模分析理论，编 写了有广泛实适用性的a n s y s 参数化语言a p d l 的天线模型的快速建模与受力分 析的程序；其次，在建模分析的基础上，通过对a n s y s 的结构分析，得到了天线 受载荷时的反射面的有限元网格模型，实现了结构有限元网格模型到电磁有限元 网格的转换；再次，基于f e k o 脚本语言的二次开发，实现了电磁网格模型的导 入、网格细化、电磁仿真参数设计及使用物理光学法( p o ) 进行电磁仿真计算； 最后，在以上研究基础上，集成a n s y s 有限元分析软件和高频f e k o 电磁仿真软 件，完成了大型天线机电综合分析系统的设计。 本文对大型天线机电综合分析系统分别进行了实例分析验证与r u z e 公式反射 面变形的效率计算结果对比。通过对比充分验证了大型天线机电综合分析系统对 于反射面天线机电综合分析的正确性与准确性。对于反射面天线的设计，大型天 线机电综合分析系统具有很高的现实意义和实用价值。 关键词：反射面天线机电有限元协同分析电磁仿真 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , 嬲t h er e s e a r c ho b j e c to fr e f l e c t o ra n t e n n a s ，o nt h eb a s i so ft h e i n t e g r a t i o nf o rh e t e r o g e n e o u ss o f t w a r ea n da u o m a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs o f t w a r e ，t h e l a r g ea n t e n n am e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i ss y s t e mh a sb e e n d e s i g n e d t h es y s t e mh a ss o l v e dt h ec u r r e n ts t a t u st h a tt h es t r u c t u r ea n a l y s i so ft h e a n t e n n ai so u to ft o u c h 诚t l lt h e e l e c t r o m a g n e t i cs i t u a t i o n ，c o m p l e t e d t h e e l e c t r o m a g n e t i cs i t u a t i o no fl a r g er e f l e c t o ra n t e n n aa n a l y s i sf r o ms t r u c t u r et ot h e s i m u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c ，a n dp r o v i d e da s i m p l ea n dp r a c t i c a lc o m p r e h e n s i v et o o l p l a t f o r mf o rb o t l ls t u c t u r ed e s i g n e re l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n e r i nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lf o rr e f l e c t o ra n t e n n a s ， f i r s to fa l l ，aw i d er a n g eo fa p p l i c a b i l i t yo fa n s y sa p d ll a n g u a g eo fr a p i dm o d e l i n g a n ds t r e s sa n a l y s i sf o ra n t e n n ai na n s y sh a sb e e nw r o t eb a s e do nf i n i t ee l e m e n t m o d e l i n ga n da n a l y s i s ；s e c o n d l y , b a s e do ns t r u c t u r a la n a l y s i sb ya n s y s a n dt h ea n y l y s i s o fa n t e n n as t u c t u r e ，w eg e tt h ef i n i t ee l e m e n tm e s hm o d e lo fa n t e n n ar e f l e c t o rb yl o a d a n da c h i e v et h ec o n v e r s i o no ff i n e t ee l e m e n tm e s hf r o ms t r u c t u r et o e l e c t r o m a g n e t i c ；t h i r d l y , b a s e d o nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ff e k os c r i p t i n g l a n g u a g e ，w ea c h i e v et h ea i mo fe l e c t r o m a g n e t i cm e s hm o d e li m p o r t ，m e s hr e f i n e m e n t , p a r a m e t e rd e s i g no fe l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o na n dt h et h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n b yu s i n gp h y s i c a lo p t i c s ( p o ) m e t h o d ；f i n a l l y , i nt h ea b o v es t u d y , w ei n t e g r a t ea n s y s f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s 0 1 a r ea n dh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n s o f t w a r ef e k ot o g e t h e r , c o m p l e t i n gac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h el a r g ea n t e n n a m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s s y s t e md e s i g n i nt h i sp a p e r , ac a s es t u d ya n dt h ec o m p a r i s o no fe f f i c i e n c yo fa n t e n n as u r f a c e d e f o r m a t i o nb yr u z ef o r m u l ah a v eb e e nt a k et ot e s tt h el a r g ea n t e n r mm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a ls y s t e m b yt h ec o m p a r i s o n , w ef u l l yv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s sa n da c c u r a c yo f t h el a r g ea n t e n n am e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i ss y s t e mi nt h e c o m p r e h e n s i v ed e s i g no fr e f l e c t o ra n t e n n a s f o rt h ed e s i g no fr e f l e c t o ra n t e n n a s ，t h e l a r g ea n t e n n am e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i ss y s t e mh a sah i 曲 p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：r e f l e c t o r a n t e n n a s m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lf i n i t ee l e m e n t c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i se l e t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文课题来源及其意义 本文工作来源于国防基础科研项目“大型天线结构协同设计”。 大型反射面天线在科学研究及民用等领域越来越得到广泛应用。从通信到雷 达侦测，从导航到航空航天，大型反射面天线都肩负着至关重要的角色。天线设 计中涉及到机械结构设计和电磁设计，而设计出的反射面天线最重要的目的就是 要保证满足它的电性能指标。 反射面天线的机械结构设计的好坏影响到它的电性能，而结构设计中天线的 反射面的表面精度直接关乎到所设计出的天线电性能的指标。天线机械结构设计 中，影响到天线反射面精度的有天线背架的刚度，天线面板的装配，座架及伺服 系统的性能以及整个系统的测量精度等等。大型反射面天线的制造与安装时，反 射面往往不能与设计抛物面完全吻合。由于大型反射面处于自然环境中，自重、 风荷、冰雪、温度变化及各种冲击载荷都可能使天线的背架上的节点产生位移，一 使得天线反射面不能处于一个平滑的曲线，导致天线的电磁边界条件发生改变， 从而影响到了天线的电性能，如天线的增益下降及副瓣电平的升高。 为了在天线的设计之初就能对天线结构的变形对天线电性能的影响做出预估 分析，就需要一个有效方法达到对反射面天线的机电综合分析。而这个有效的方 法就是对于理论设计阶段的天线结构，让它处于预设工况的理论模型中对它进行 机电综合分析，最终得出天线结构变形对电性能的影响结果。 1 2 国内外研究现状 反射面天线结构是将结构与电磁相结合的典型的机电一体化系统，因此它的 电性能特征受到结构与电磁方面的相互影响。从结构方面来设计，天线结构处于 各种工况时的位移越小系统就越能表现好的结构稳定性，但这势必对机械结构的 性能有很高的要求。从电磁方面来设计，要求天线要达到效率最高、增益最大、 副瓣最小等电磁特征。 在天线的综合设计过程中，结构设计往往和电磁设计相脱节，结构中只追求 高的结构稳定性而忽略电磁设计特征对天线结构稳定性的切实需要程度；而电磁 设计中追求的高电磁特征，在现实设计中，有可能天线的机械结构永远都不可能 2 大型天线结构机电协同分析 达到高电磁特征所要求的结构稳定性。这就要求在天线设计中将结构设计和电磁 设计相互结合，达到机电综合协同设计。 机电综合设计的方法就是在天线的设计之初，通过对天线结构的结构位移做 出分析，对变形后的位移模型进行电磁分析，得出位移与电性能的相互作用关系， 从而设计出满足电磁特征指标的天线机械结构。 ，冀麓j ， 1 2 1 国外研究现状 机电一体化战戮理念起源于国外，在上个世纪中期以后取得了很多理论研 究成果，后来逐渐被应用到天线设计的实践中。 1 9 5 2 年j o h nr u z e 利用统计的分析方法提出了著名的r u z e 公式【1j ，将反射面天 线的效率同反射面天线面的精度相联系起来。该公式假定天线反射面表面的误差 是随机的且按正态分布，各误差点间的相关距离远大于波长而又远小于天线口面 尺寸，于是就得到了天线效率随天线反射面表面精度的下降而下降的数学关系式。 随后很多学者在r u z e 公式的研究应用基础上对它进行了很多改进，为反射面天线 的机电一体化设计做出了很大的贡献。1 9 6 7 年，v o n h o e m e r 提出了最佳吻合和保 形设计【2 捌。该设计是针对双反射面天线的主面在重力变形的情况下，用另外一个 抛物面来逼近该变形的抛物面，然后再把副面焦点移到主面的新焦点上去吻合。 其设计理念主要是从天线的结构设计角度考虑如何消除天线反射面变形的影响， 从而满足天线设计中电性能的特征。 在天线的机电一体化研究设计中，很多学者通过有限单元法分析不同工况下 的天线结构的变形，运用几何光学法和物理光学法计算出了变形反射面天线的方 向图，并进一步将这些研究成果来应用到表面面板调整和反射面天线的机电综合 优化中【4 8 】。与此同时，随着低副瓣电平、多波束多扫描天线的需求，y r a h m a t 等学者研究了设计中的随机误差对平均功率方向图和副瓣电平的影响【8 。列。 图1 17 6 米口径全可动抛物面射电望远镜 大型反射面天线的机电综合分析设计在国外已经发展的比较成熟。1 9 5 5 年， 英国在曼彻斯特的焦德雷尔班克观测站建成直径7 6 米的全可动抛物面射电望远镜 第一章绪论 3 如图1 1 所示，并在1 9 5 7 年跟踪苏联发射的第一颗人造地球卫星时发挥重要作用， 从此闻名于世。2 0 世纪6 0 年代，美国在中美洲的波多黎各利用一个天然洼地建成 3 0 5 米直径的固定球面射电望远镜如图1 2 所示，至今仍以口径最大著称于世。 1 9 7 1 年德国建成一架直径1 0 0 米的全可动抛物面天线，它是目前世界上最大的一 架全可动天线。上世纪8 0 年代末，美国的v l a ( 2 7 2 5 米) 大型综合孔径阵在新 墨西哥州落成。1 9 9 7 年日本发射了第一台空间射电望远镜v s o p ，利用日本 h a l c a 卫星携带的8 米射电望远镜与地面上的射电望远镜组成干涉仪。大天线的 设计和制造技术正在日新月异的变化。 图1 23 0 5 米口径固定球面射电望远镜 国外在大型反射面天线的机电一体化设计中已经达到了很高的技术水平，掌 握了大量的科研理论与实践成果1 3 锄】。与此同时，大型反射面天线的机电一体化 设计还在不断的发展与完善中。机械与电磁相结合的设计方法将使得大型反射面 天线的设计周期和成本大大缩短和降低。 1 2 2 国内研究现状 我国在天线机电综合技术方面的研究起步比较晚，学科发展基础比较薄弱。 但随着国内在天线技术方面的不断发展和天线在多个领域内的迫切需求，国内对 天线反射面变形对天线电性能影响的研究也越来越广泛和深入1 2 化5 。 在反射面天线的拟合方面，相继完成了很多科研技术成果 2 6 - 3 。用于天线反 射面变形研究的最佳拟合抛物面法和曲面拟合方法都取得了创新性的技术水平。 在天线结构的保形设计方面，文献f 7 】对任意变形的天线反射面进行最佳吻合设计 以保证其良好的性能做出了很好的阐述。对于卡塞格伦天线的抛物面主反射面和 双曲面副反射面的特征，文献【2 8 】从最d - 乘法原理出发，求出了最佳拟合曲面， 此方法能够更好的对卡塞格伦天线进行仿真。而文献【2 9 】也是基于最d - 乘法原理， 运用拟合的方法得到能够反映出天线变形反射面实际状况的最佳拟合抛物面，然 后再进行电性能计算。但是最佳拟合抛物面法只是对天线变形曲面的整体进行拟 合的一种分析方法，它不能反映反射面的局部大变形情况。于是，一种变形曲面 4 大型天线结构机电协同分析 的分块c o o n s 拟合方法被提出【3 0 1 。c o o n s 拟合方法的基本原理就是把反射面分成 多个区域，每个区域单独进行c o o n s 拟合，同时保证每个曲面拼接时连续且光滑。 从而得到反射面详细的变形信息，以对其进行精确的公差分析，使得口径场相位 误差的分析更接近实际情况，最终能够准确地反映出天线变形对其电性能造成的 影响，从而达到反射面拟合的目的。 在天线技术的研究方面，国内从天线机电一体化设计的角度考虑其结构和电 性能关系的研究也取得了很多技术成果【3 卜3 2 1 ，基本上奠定了机电综合分析在天线 设计中的基础。最先在该领域内开始的研究是双反射面天线的副反射面形状的预 优设计问题，研究追求的目标是天线的效率，设计变量是为决定副面形状的广义 参数【3 3 1 。也有学者提出了以双反射面天线效率为目标，副面支撑腿截面尺寸和支 撑杆数为设计变量的机电一体化优化设计数学模型【3 4 1 。除了上述研究，还有学者 分别就双反射面天线旁瓣的机电一体化与结构参数对交叉极化的影响进行了研究 【3 5 - 3 6 】。上述工作均未能就电磁场与反射面位移场的关系得出更深入的结果。因此， 又有学者提出反射面天线的表面误差的分类，建立更为合理的、适用于系统误差 的效率关系。并提出从天线馈源相位中心的角度出发，进行了更为深入的研究， 推导出了更为重要的电磁与结构关系新的表达式【3 。此外，还有许多学者在计算 变形反射面天线的电性能的研究中也做了许多工作幽刮】。 图1 32 5 米口j ! 全射电望远锐 在反射面天线的研究制造方面，我国也逐渐取得了很多成就。1 9 9 0 年在青海 德令哈紫金山天文台建成的1 3 7 米毫米波天线是我国第一台大型毫米波天线( 工 作波长2 6 毫米，1 1 5 g h z ) ，它是标准卡式抛物面天线。1 9 9 4 年后建成的上海佘山 和乌鲁木齐的两台2 5 米射电望远镜正式加入e v n ( 欧洲v l b i 网) ，如图1 3 所 示，成为国际一流设备的一部分。2 0 0 6 年7 月1 6 日，由中国科学院云南天文台承 担建设的国家重大航天工程“嫦娥工程”地面应用系统昆明地面站4 0 米天线建成 验收，如图1 4 所示。昆明地面站作为国家探月工程的组成部分，主要任务是完 成探月卫星下传递月球观测数据的接收和记录存储；与北京密云地面站、乌鲁木 齐南山站、上海余山站共同组成v l b i 网，对绕月探测卫星进行精确定位。目前， 我国正在建设利用贵州喀斯特地区天然洼坑作为台址的5 0 0 米口径球面射电望远 第一章绪论 5 镜( 简称f a s t ) ，将于2 0 1 6 年9 月正式建成，建成后将成为世界最大的单口径射 电望远镜。 图1 4 4 0 m 直径探月天线 近几年来，西安电子科技大学机电科技研究所的众多老师和学生在大天线机 电一体化设计中也取得了众多的科研成果m 引，为大天线的机电综合分析做出了 很大的贡献。主要的研究有天线设计中的机电耦合，天线反射面新的拟合方法， 天线结构的优化设计，机电综合软件分析等。 1 3 论文内容安排及主要工作成果 通过对现有大型天线的机电一体化设计的研究，本文从大型天线的结构模型 到最终的电磁分析展开深入研究，在现有结构分析与电磁分析的商业软件之上开 发出大型天线机电综合分析系统，完成对大型天线的机电综合分析。首先，对大 型反射面天线进行a n s y s 有限元建模，完成建模后对天线模型进行网格划分以及 力学分析。其次，对于已完成力学分析的a n s y s 结构模型，根据天线反射面网格 单元节点的变形量，运用a n s y s 软件a p d l 语言编程，依次可以得到变形和未变 形的反射面的网格模型。再次，通过实现a n s y s 和电磁场分析软件f e k o 异构系 统数据集成的接口技术，再把该变形的模型导入到f e k o 中进行电性能分析，在 f e k o 软件中使用物理光学法口o ) 计算出每个单元的辐射场。最后，将这些单元的 辐射场叠加起来，计算出变形反射面天线辐射场的数值结果，得到天线反射面变 形和未变形的电性能参数，完成对天线的机电综合分析。 将结构和电磁分析软件综合引入到一个平台对天线进行从结构到电磁的分析 能很好的的解决结构设计与电磁设计相分离的设计现状，达到天线设计的机电一 体化。该方法解决了设计中机械结构设计人员和电磁设计人员之间的互动难的问 题，从而达到了天线设计中的协同协作。通过该方法对天线进行机电综合分析， 能够使得天线的研发周期大大缩短，设计成本显著下降，具有较高的应用价值。 本文首先从大型天线的发展状态介绍了国内外在天线的机电综合分析方面的 6 大型天线结构机电协同分析 研究成果和研究动态，阐述了机电综合分析在大型天线设计中的重要性。从机电 一体化的研究角度研究，展开了反射面天线的综合分析设计。 首先，本文从天线机电综合分析的结构设计开始，通过对天线结构的研究分 析，详细的阐述了反射面天线在a n s y s 有限元软件中的参数化语言a p d l 建模、 网格划分与受力分析。设计完成了有广泛实用性的反射面天线a n s y s 建模分析的 a p d l 程序。 其次，通过对反射面原理与机电综合分析现状研究，编写模型转换接口程序 与模型细化处理与电磁分析程序，将a n s y s 有限元软件与高频电磁分析软件集成 在一起。解决了异构软件之间模型数据流通、模型网格不匹配等问题，完成了电 磁f e k o 软件自动导入模型与电磁自动分析的设计。 最后，在模型转化与电磁软件f e k o 自动分析计算的基础上，通过对机电综 合分析系统的工作流程、数据流程的分析，针对该系统进行各个模块的划分与原 理实现，研究设计了大型天线机电综合分析系统。 大型天线机电综合分析系统的设计实现了反射面天线的机电综合分析仿真， 为天线设计中的结构设计人员和电磁分析人员提供了一个有效的、实用的协同交 流设计工具平台。 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 7 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 2 1 引言 天线的设计分为结构设计和电磁设计，而结构设计如同一个人的身体骨架， 电磁设计则相当于一个人的大脑，只有身体上没有问题，才能接受大脑的指挥做 各种动作。所以对大型天线的机电综合分析应该从天线的结构设计开始着手，而 结构设计最初的工作就要对理论设计的天线结构进行有效的软件建模。大型天线 的运行环境在自然条件下，势必会受到雨雪、大风等自然力作用，所以必须通过 软件仿真来验证所设计出来的天线结构能否满足最初的机械结构在各种受力条件 下的要求。 天线结构力学分析主要采用有限元方法，有限元分析方法是分析工程问题的 重要技术之一，该方法已被广泛应用于工程问题的分析当中。有限元法是2 0 世纪 6 0 年代以来发展起来的工程问题计算的数值计算方法，是计算机时代的产物。有 限元的概念早在2 0 世纪4 0 年代就已经提出，随着计算机技术的发展，有限元法 在各个工程领域，如机械、土木、航空航天、核工业、机电、化工、建筑和海洋 等众多的行业中得到应用，成为工业产品动、静、热、电磁等力学与物理特性分 析的重要手段。今天，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分 析c a e 程序系统的功能越来越强大，使用越来越方便，其功能与所研究问题的范 围也已从传统的力学领域扩展到物理、化学、材料、生物和电子等众多的工程领 域。 为了完成一个完整的天线的机电一体化的分析设计过程，针对特定的天线结 构，我们有必要对其进行a n s y s 软件的建模与力学仿真，从而为天线机电综合分 析奠定模型分析基础，更好的展开后续的研究。 2 2 大型天线的结构组成 常见的聚焦反射面天线有旋转抛物面天线、柱状抛物面天线、切割抛物面天 线、卡塞格伦天线。圆抛物面天线的机械结构主要由天线的中心体、背架、反射 面、副反射面撑杆及副反射面等组成，其整体结构如图2 1 所示，示意图如图2 2 所示。 大型天线结构机电协同分析 图2 1 圆抛物面天线 1 背架2 剖反射颈3 馈源4 中心体5 反射面 图2 2 圆抛物面天线示意图 抛物面天线结构一般是指反射体结构，其主要指标为天线口径直径，它是 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 9 根据天线电性能确定的。抛物面天线的结构除过反射面，其他各部分统称为主力 骨架。对于大型反射体结构形式，由于口径直径较大，如果还是整体的，而没有 其他支撑的反射面，天线的刚性就显得不够。因此必须有主力骨架来支撑反射面， 使得反射面的精度得到保证。 中心体为板梁焊接而成的带剪切板的旋转对称的单层或双层筒状结构或空间 桁架结构，其上支撑着放射状分布的辐射梁，辐射梁之间由几圈周向分布的环梁 和斜撑杆相连接，辐射梁、环梁、斜撑杆构成支撑反射面的背架。而反射面从理 论设计上来讲应该为精确的抛物面，它由连接在背架上弦结点上的一块块小反射 面板拼接而成。对于副反射面的连接，则是从背架上伸出的三或四根撑杆从而支 撑着抛物面焦点处的副反射面。反面天线结构设计的要求就是使天线结构在各种 风载荷和重力载荷的作用下不破坏，其反射面精度一反射面受载荷下的位移达到 设计所要求的指标，从而保证天线的工作性能。通过结构分析设计，在满足结构 变形及反射面电磁要求的情况下，选取合适的材料，优化天线的设计。 2 2 1 天线反射面 反射面天线的核心构件之一，其口面形状、形面精度对天线电气性能及外观 形象等具有重要影响。按结构型是有网状、栅状和板状之分，目前应用最广泛的 是冲孔铝合金板，背部加筋，尤其适用于大型高精度反射面。面板厚度一般取 t = - i 5 2 m m ，打孔孔径q = ( 1 1 0 1 1 6 ) 九。 反射面要“先柔而后刚”，在成型之前通过打孔、开槽、热处理等使单层面板 获得一定的“柔性，以便充分地贴膜或贴筋，然后固化或连接从而形成具有一 定“刚性”的反射面。这样，面板+ 背筋即能维持曲面本身的形状精度，骨架仅起 支撑和定位作用。在反射面的设计中，背筋的布局、材料及热处理、型材断面、相 互连接等尤显重要。 天线口径和骨架形式各有不同，但反射面的背筋只有主筋( 辐射筋、纵向筋) 和辅筋( 环向筋、横向筋、边筋) 两种。背筋断面形状常常采用槽形“【】 、“z 型 或者“r 型等。一般来说，由于主筋的加工比较方便，而且主筋、附筋所成框格 ( 扇形或矩形) 的长宽比越大对面板刚度越有利，所以背筋的布局应以适当增加主 筋、减少附筋为原则。断面高度6 0 1 0 0 m m 不等，材料要通过热处理予以强化。筋 材之间、筋材与面板之间多用铆接，铆钉要有适当的硬度，铆接要紧密、平整、 牢靠，必要时辅以胶接。 对于大型反射面天线，反射面与骨架间的距离可以调整，这样骨架制造不必 很精准，只要在装配时进行调整就可以达到所需的精度。对于大型的反射面天线， 调整装置的结构如图2 3 所示。大型反射面天线的反射面板要分成很多块，每块 1 0 大型天线结构机电协同分析 面板在成型时达到所需的精度。单块面板装到骨架上时，通过调整装置使其达到 准确的定位。除此之外，对于要求精度较高的抛物面来说，由于板面不易准确成 形，在装到骨架上时，要用较多的调节螺栓来调整反射面，使其达到所需的精度， 但这种方法调整时比较费时费工。 ，反射i f f 1 - ) 桁架i y j h 管 2 2 2 天线主力骨架 寸州 的抖i f t f 反时i | ：l f 图2 3 反射面的调整装置 l f l i 扳加性筋 | f l | 警陶 - f 哼j 架 主力骨架的形式，最常见的有辐射状和网架状的，本文天线采用的是辐射状， 如图2 4 所示。辐射状主力骨架由中央结构( 中央圆筒、中央圆环) 和辐射骨架 ( 辐射梁) 两部分组成。 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 1 l 图2 4 天线骨架辐射图 图2 5 天线背架及副面支撑架 天线骨架泛指那些位于反射面和转盘台面之间的承力结构，具有承上启下的 1 2 大型天线结构机电协同分析 功能。对于不同的产品，可能是单一结构也可能是组合结构，它们支撑、定位反 射面，传递外载荷，并带动整个天线做回转扫描。 一般大中型天线的骨架多考虑采用低碳钢、不锈钢等薄壁圆管，方管焊接而 成的空间桁架结构，它风阻小，质量轻，受力合理而且加工工艺比较成熟。由于 某些特定要求，其他材料( 如铝合金、钛合金) 、其他断面、其他形式( 如板梁) 的结 构也有应用，尤其是小型天线。 背架连接接口f 包括背架本身、骨架单元之间、骨架与反射面之间、骨架与转 盘台面之间及吊装接口等) 和检测基准( 机械主轴，与主轴垂直的台面) 的合理设置 也至关重要。 为了增强抛物面天线结构顶部的刚性，能使得辐射梁牢靠地与中央结构连接， 常常在抛物面旋转轴线附近有一个刚性强的结构。如图2 5 所示，它由中央圆环、 中央圆筒两部分组成。中央圆环是一个刚性很好的控件桁架结构，中央圆筒是一 个双层厚壁筒。中央结构还有如图2 6 所示的，它为具有加强筋的薄壁结构组成 的中心八面体结构的中央结构。 竣源- 交装结构 受翦教 图2 6 中心八面体 大型反射面天线中，主力骨架结构杆件之间的连接一般为节点结构。薄壁梁之 间有的使用节点结构，有的直接焊接或者铆接。常用的节点结构如图2 7 中所示， 有管接头、球接头、节点板，、法兰盘、以及高强度的螺栓，直接焊接等节点的形 式。 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 1 3 ( c ) ， f ， 图2 7 节点连接形式 对于管接头，如图2 7 中的a 所示。它一般在薄壁圆管中应用与杆件的桁架 结构中。按照主力骨架的刚度、强度、稳定性计算确定的各杆件横截面几何尺寸。 设计中课根据整体结构的要求来进行管接头的几何形状设计。管接头与管子连接 长度的确定，以管子能插入管接头，并且管与管之间能焊接为准。使用管接头后， 对杆件端部的机械加工要求低了，而且杆件与管接头之间的焊接加工也比较方便。 但是当两根杆件纵向之间的夹角很小时，为了使薄壁圆管能嵌入接头，且应由必 要的焊接长度，因而使管接头的连接部分尺寸要求比较长。这样对管接头的强度 及刚度有很大影响。如果整个天线接头管接头的类型很多，采用压铸工艺制造管 接头由于需要大量的模具，所以成本很高。 对于球接头，如图2 7 中的b 所示。用一个空心薄壁球体，连接结构元件的 另件称作球接体。在杆件结构中，各杆件纵轴线的交点，既节点，它是球接头的 球心。球接头的半径由连接杆件的多少而定。球壁厚度由工艺条件决定，一般厚 度为2 5 m m 左右。由于薄壁圆管与球面在各个方向的相贯线都是很规则的，所以 薄壁圆管与球面相连接的端部机械加工要求比直接焊制的要求大大降低了。球接 头是由两个冲压而成的碗形薄壁半球体，用焊接工艺加工而成。 对于节点板，如图2 7 中的c 所示。节点板是由薄壁型材组成的桁架结构， 或由薄壁型材和薄壁圆管一起组成的桁架结构，通常采用节点板连接各杆件。尤 其在一个平面内，要使多根薄壁型材汇交于节点中心是困难的。因此在节点处增 设一个薄板另件，以使所有杆件的形心轴线基本汇交于理论分析计算的节点中心。 这样能避免由于轴线不汇交于节点中心受到的偏心载荷。由材料力学可知偏心载 1 4 大型天线结构机电协同分析 荷会引起附近弯矩，使杆件受力情况变得恶化。在偏心载荷与轴向压力的联合作 用下，容易失去稳定性。 对于法兰盘，如图2 7 中的c 所示。当天线结构的工作状态与运输状态不同 时，两部分结构的连接处节点必须采用法兰盘。 2 2 3 馈源及副反射面支架结构 。t 由于抛物面天线的辐射器需要安装在焦点处，双反射面天线的副反射面体需 要安装在实交点和虚焦点之间，因此都需要支架结构。 需要前置的馈源，既喇叭或者副反射器应尽量轻巧，而且一般都还要通过调 节装置使其处于理想位置并可靠定位，调节项目包括轴向平移、横向平移、摆动 等，各个自由度之间最好要彼此独立、互不干扰，以方便现场操作。 ? ? 图2 8 馈源支架类型 弦杆 ( b ) ， ( b ) 图2 9 馈源支架结构 馈源支架的结构由中心立柱式、三杆式、四杆式及八杆式等形式组成，应用 比较广泛的有三杆式和四杆式，分别如图2 9 中的a 和b 所示。支架的结构常采 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 1 5 用三根杆或四根杆组成，结构分别如图2 9 中的a 和b 所示。中小型天线的馈源 支杆多采用椭圆形或矩形薄壁管件，窄边朝向反射面，杆长可调；大型天线则用 矩形组合截面( 空间桁架) ，同样使窄边朝向反射面。诸支杆轴线与反射面的交点所 构成的平面圆直径的大小，需兼顾电性能和结构要求，选择适当的尺寸 4 9 。5 0 】。 2 3 天线a n s y s 建模及分析 对与天线a n s y s 模型的建立，首先得简化天线模型，针对模型的材料及结构 特征在a n s y s 软件中进行材料的定义、单元类型的划分、单元参数的设置、创建 单元模型，最终完成天线的建模。在模型的基础上对模型进行网格划分和施加载 荷条件，进而对模型进行求解分析，得到分析的结构。建模及分析流程如图2 1 0 所示。 天线实体结构 上 简化单元 上 定义单元材料及属 性 0 结构建模 上 划分网格 上 施加载荷条件 上 求解分析 0 分霎结 图2 1 0 天线a n s y s 建模及分析流程 2 3 1 某6 2 m 天线a n s y s 模型的创建 根据本天线结构特点，在建模时考虑到有限元模型的复杂程度及其分析运算 结果的准确性，对整体结构进行了适当的简化。通过对模型几何尺寸和受力状态 的分析，结合a n s y s 的单元库及其属性，简化后，中心体、大齿轮由不同形状的 面组成，选用合适的壳单元，通常都选用s h e l l 6 3 ；天线背架和馈源支撑选用合适 1 6 大型天线结构机电协同分析 的梁单元，通常选用b e a m 4 ；馈源结构经过简化后选用合适的梁单元，通常选用 b e a m 4 。材料属性方面，反射面一般选用铝材料，其他结构件一般选用钢材料。材 料属性如表2 1 所示。 表2 1 天线材料属性表 式 钢铝( 实板) 铝( 网面) 材料属性 e x ( m p a ) 2 0 6 b + 0 67 1 0 0 0 7 1 0 0 0 p r x y0 3o 3 30 3 3 d e n s ( k g m m 3 ) 7 8 5 e 0 62 7 e 0 62 1 6 e 0 6 对于选用的材料选取合适的材料属性，通常可根据选择材料的特征得到材料 的属性特征，从而才a n s y s 软件中进行选择设置。 a n s y s 为用户提供了良好的二次开发环境，使用户可以将a n s y s 的功能向 更深，更广的方向发展。a n s y s 的a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 是 ? , 2 q s y s 参数化设计语言，它是一门专用来自动完成有限元分析操作或通过参数化 变量方式建立分析模型的脚本语言。a p d l 以命令流的方式进行工作，允许复杂的 数据输入，使用户实际上对任何设计或分析都有控制权，扩展了传统有限元分析 范围以外的能力。a p d l 可用来完成一些通用性强的任务，也可以用于根据条件来 建立模型，不仅是优化设计和自适应网格划分等a n s y s 经典特性的实现基础，也 为日常分析提供了便利。 a p d l 实质上由程序设计语言部分和1 0 0 0 多条a n s y s 命令组成。其中，程 序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制 ( 循环与分支) 、重复执行命令、缩写、宏命令以及用户程序等。a n s y s 的这1 0 0 0 多条命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋予确定值，也可 以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。从a n s y s 命令的功能上讲，它们分 别对应a n s y s 分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷 和边界条件控制、执行求解和计算结果的后处理等指令。 用户可以利用程序设计语言将a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的用户程 序，从而实现有限元分析的全过程t 即建立参数化的c a d 模型、参数化的网格划 分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控 制和求解以及参数化的后处理。 在a n s y s 环境中，进行各种仿真分析时，使用a n s y s 的a p d l 语言不但有 便于控制的优点，更是有许多工作必须用a p d l 语言的二次开发才能完成。用 a p d l 语言编写c a d 模型的建立过程、c a e 模型网格的划分、边界条件的设置和 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 1 7 求解分析，当需要改变c a d 模型、重新划分网格、重新设置边界条件时，只需要 修改a p d l 语言编写的脚本，既节省时间又便于控制。另外，一些数据文件的提 取和加载，用a p d l 语言的二次开发可以很容易的实现。 针对a n s y s 有限元软件的特征，用它的参数化建模语言a p d l 进行建模和分 析，可以大大减少建模的操作复杂性，减少建模过程中操作的失误。 先用a p d l 语言定义单元的类型、材料的属性和一些相关的实常数，部分建 模程序如下所示： p r e p 7 1 定义材料，铁 e t ，1 ，b e a m 4 m p ，e x ，1 ，2 0 6 e 5 m p ，p r x y , 1 ，0 3 m p ，d e n s ，l ，7 8 5 e 一6 m p ，a l p x ，l ，11 7 6 e - 6 m p ，k x x ，1 ，4 8 e 一3 r , 1 ，1 5 3 7 ，4 1 5 e 6 ，6 1 e 5 ，9 4 ，9 0 ， r 2 ，1 1 1 2 ，1 4 5 5 0 1 3 ，1 4 5 5 0 1 3 ，1 2 1 ，1 2 1 ， r , 3 ，7 0 6 8 5 ，3 9 7 6 1 ，3 9 7 6 1 ，3 0 ，3 0 ， r , 4 ，6 5 9 7 ，6 6 5 1 9 5 ，6 6 5 1 9 5 ，7 3 ，7 3 ， r , 5 ，4 0 0 ，1 3 3 3 3 e 4 ，1 3 3 3 3 e 4 ，0 ，0 ， r , 6 ，3 6 4 4 ，6 1 4 0 6 ，6 1 4 0 6 ，6 0 ，6 0 ， r , 7 ，2 7 0 18 ，6 2 5 8 0 ，6 2 5 8 0 ，4 5 ，4 5 ， r , 8 ，1 0 0 ，8 3 3 3 3 ，8 3 3 3 3 ，0 ，0 ， ! 定义材料，铝 e t ，2 ，s h e l l 6 3 m p ，e x ，2 ，7 1e 4 m p ，p r x y , 2 ，0 3 3 m p ，d e n s ，2 ，2 7 e 6 m p ，a l p x ，2 ，2 3 6 e - 6 m p ，k x x ，2 ，2 38 e 3 r , 9 ，1 r , 1 2 ，5 k , 1 ，3 5 0 ，0 ，0 大型天线结构机电协同分析 k ，2 ，11 0 0 ，0 ，0 k , 3 ，11 0 0 ，0 ，3 5 0 k ，2 0 0 0 ，0 ，0 ，- 5 0 0 k ，2 0 01 ，0 ，0 ，5 0 0 l ，1 ，2 l ，2 ，3 a r o t a t , 1 ，2 ，2 0 0 0 ，2 0 01 ，3 6 0 ，16 建模先从中心俸开始；撼过关键点定义命令k ，n p t , x ，yz 定义关键点，对定 义的关键点用命令l 创建直线。接下来对所创建的线用a r o t a t 命令旋转得到中 心体下边的面单元，如图2 1 l 所示。 一晒璐函耵强飚 图2 1 1 中心体单元图2 1 2 辐射梁 创建好中心体单元以后，对它进行网格划分。根据特定天线的尺寸及壳单元 属性，在a p d l 语言中设定，选定好特定的板壳单元及网格划分的形式和尺寸， 进而用a m e s h 命令对中心体上的面进行网格划分。划分好后用l m e s h 对中心体 上的线进行有限元单元化。 图2 1 3 天线背架图2 1 4 反射面上的抛物线 按照建模顺序，接下来开始创建天线的背架。用节点创建命令n 创建背架上 的其中一个辐射梁上所对应的节点，创建好后，选择单元属性进行单元化，如图 2 1 2 所示。 第二章大型天线的结构组成及a n s y s 建模仿真 1 9 用命令e g e n 对刚刚创建的一个辐射梁的单元进行模拟复制，从而得到整个 天线的背架。创建好的天线背架如图2 1 3 所示。 建好天线的背架和中心体以后，接下来对创建天线反射面。由于反射面是一 个抛物面，所以可以在从反射面中心到最边缘的任何一条抛物线上取样多个点出 来，取点的多少根据天线反射面的尺寸而定。用关键点创建命令k 创建刚刚取样 的那些关键点。创建好这些取样点以后，对这些点用曲线拟合命令b s p l i n 创建