MSC Patran/Nastran软件在7.5m天线结构的应用

李增科,武织才,李印涛

（中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081）

0 引言

目前,天线的结构设计分析已自成体系,其中关键部分就是设计模型的建立及在此基础上进行的刚强度分析计算。以往多采用经验类比设计与传统材料力学简化计算相结合的方法,但这一方法在很大程度上取决于设计人员的经验,并且往往使设计偏于保守,致使产品重量大、成本高,尤其在当前客户要求越来越多样化的情况下,已不能适应瞬息万变的市场要求。

Patran和Nastran是美国MSC公司开发的用于工程校验有限元分析和计算机仿真的软件。Patran软件是有限元分析的前后处理软件,它可使用户通过图形交互界面创建几何模型,以及设置模型参数,并将计算结果以多种方式提供给用户。Nastran软件作为有限元分析求解器,可进行诸如静力学、动力学、非线形及热学等分析。

该7.5m天线是以MSC Patran/Nastran计算仿真为基础,从而得出主要结构数据。经过测试,天线的各项技术指标均满足要求。

1 问题的提出

天线结构是一种大型精密机械结构。对于大型反射面天线来说,要求具有很好的刚度,欲提高天线的刚度,需增大杆件横截面面积与加大板壳厚度,这又反过来增加了其自重载荷,从而导致自重变形增大。可见,增加天线的刚度与降低自重变形,成为天线结构设计中一对明显的矛盾。

实际反射面的形状总不能与理论反射面完全一致,而有一定的误差。这种误差对天线增益的影响按Ruze公式可定量地描述为:

式中,ns为天线增益下降系数;G为无表面误差时天线的增益;G0为有表面误差时天线的增益;δ为天线表面各点半光程差的均方根值:λ为工作波长。

采用分贝来表示增益下降系数,式（1）可写成:

由式（1）和（2）可见:表面误差增大,天线增益将明显下降。因此,有必要分析天线的表面误差。

按照理想情况,馈源的相位中心应该与焦点完全重合,但由于馈源支杆及天线背架的变形,使得馈源存在偏焦误差。偏焦分为纵向偏焦和横向偏焦。纵向偏焦使得天线增益降低,旁瓣电平升高;横向偏焦使得天线方向图主瓣最大辐射方向将偏离轴线。

基于上述原因,有必要对天线进行力学分析,使其不仅要有足够的强度,而且应使结构变形限制在允许的范围内。同时,重量要轻。

2 结构分析

在确定了载荷、不同工况及几何拓扑形式后,可使用MSC Patran/Nastran软件进行有限元结构分析,主要有以下7个步骤。

（1）建几何模型

几何模型是有限元模型的基础,一般而言,几何模型的复杂程度决定了有限元模型的复杂程度,因此几何模型要求能够如实地反映该天线结构的重要力学特性的同时,还要应对结构进行简化,忽略不必要的细节特征。在此基础上建立的有限元模型才能够减少单元的数量,简化单元的形态,缩小计算规模,又可以保证较高的计算精度。

根据7.5m天线的结构特性,将天线的面板和中心体中的底板、筋板等板壳结构处理为壳单元;面板背架等桁架结构处理为梁单元。

（2）划分有限元网格

网格划分,即对几何模型的离散化,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过所划分的网格形式反映出来,网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。目前广泛采用自动或半自动网格划分方法。对该天线进行网格划分时采用自动划分,壳单元采用四边形单元quad4,梁单元拓扑类型选取bar2。划分完成后对单元进行检察,对形状不好的单元重新划分或进行优化,以免影响到解算的精度和速度。最终建立天线结构的有限元模型如图1所示。模型中单元数为67091个,节点数为62341个,单元类型包括梁单元、壳单元和质量元。

图1 天线有限元模型图

（3）设定边界条件

天线载荷主要包括风力、裹冰及积雪载荷、天线运动时的惯性载荷、自重等。这里只考虑风力和自重载荷。7.5m天线的最大工作风速为20m/s,俯仰范围为10°～40°。根据风向的不同和俯仰姿态的不同,计算时选取正吹、背吹和侧吹3种风向,以及10°、25°和40°三种俯仰角进行组合,共计9种工况进行分析。自重载荷在给定重力加速度后,软件会自动处理。天线所受风载荷m2由公式计算:

F=CFqA,

式中,CF为风力系数,该系数与物体的形状和雷诺数Re有关,可由风洞实验得到。q为动压,q=v2/16;v为风速;A为面板口径面积。约束位置在中心体底部支耳处。

（4）定义各项材料属性

分析中通过弹性模量、泊松比、密度等参数,以数值的形式来描述材料的属性。不同的材料赋予不同的参数。该天线主要是采用Q235钢和铝合金加工而成的。Q235钢的弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,密度为7800kG/m3;铝合金的弹性模量为70GPa,泊松比为0.33,密度为2700kG/m3。

（5）定义单元特性

该过程就是根据天线实际结构中板壳的厚度和辐射梁等杆件的截面形状及其使用材料和受力特性等,在有限元模型中赋予单元相应的物理特性,确定单元的类型（例如shell,bar,beam,rod,solid等）,定义单元的材料、截面特性等。

（6）定义分析类型

Nastran支持众多的结构分析类型,主要包括:静力分析、非线性静力分析、屈曲分析、自然模态、复模态、频率响应、瞬态响应、非线性瞬态响应等,不同的分析类型要求给定不同的参数。根据7.5m天线的受力特性选择静力分析,静力分析不需要给定任何参数。

（7）解算及查看分析结果（Result）

Nastran根据指定的控制信息,生成对应解算器的输入文件,提交解算器运算分析。根据Nastran的计算结果,Patran能以结构变形图、应力云纹图、矢量图、张量图、xy坐标曲线图、图形符号以及动画、文本等多种方式处理有限元分析结果。

3 数据分析及测试结果

3.1 数据分析

经有限元分析得出应力及位移结果后,进行数据处理,可得到天线的主要结构指标,如表1所示。天线在任意俯仰角的情况下,天线结构最大应力出现在风向背吹时,原因如下:考虑重力的影响下,虽然风背吹时风力系数小于风正吹,但是由于重力所产生的力矩与风正吹时的风力矩相反,而与风背吹时的风力矩相同,所以会出现风背吹时天线应力大于风正吹时天线应力。

表1 天线主要结构指标

3.2 测试结果

本天线采取反射腔辐射器作为天线馈源,经仿真软件仿真其天线中心频率第一旁瓣电平值为-22dB,本天线采取反射腔辐射器作为天线馈源,经仿真软件仿真其天线中心频率第一旁瓣电平值为-22dB,如图2所示,实测天线中心频率方向图与仿真设计基本吻合,波束宽度、增益以及效率等相关指标均满足设计和指标要求。从而验证了设计结构的正确性。

图2 实测天线中心频率方向图

4 结束语

通过利用MSC Patran/Nastran有限元分析软件对某天线结构的静力学分析,得到如下结论:天线结构设计合理,静力学性能满足系统的刚/强度指标要求,分析结果可以作为确定天线结构设计方案的参考依据;MSC Patran/Nastran软件是一款十分优秀的有限元分析软件,能够对系统结构进行有效而可靠的分析,使设计工作效率和可靠性得到提高,同时对设计思路的改进也有很大的帮助。

[1]段宝岩.天线结构分析、优化与测量[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998.

[2]叶尚辉,李在贵.天线结构设计[M].西安:西北电讯工程学院出版社,1986.

[3]赵汝嘉.机械结构有限元分析[M].西安:西安交通大学出版社,1990.