MSC Patran／Nastran在12m 天线结构分析中的应用

武织才，王大为

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

Patran是MSC公司开发的有限元前后处理及分析系统，具有强有力的几何建模功能，强大的网格生成功能以及交互式的结果可视化后处理功能，可以帮助用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。Nastran则是MSC公司推出的大型结构有限元分析软件，可实现结构的静力学、屈曲、动力学、模态及非线性等分析。

笔者利用MSC Patran和Nastran 分析软件，根据实际工程中12m 天线的工作环境，对天线结构进行整体建模，校核其刚度和强度，以保证天线结构的合理性和生产成本的最小化。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型的简化

该天线结构主要包括方位机构、俯仰机构、中心体、反射面背架、反射面及馈源支撑机构组成。每一部分的真实几何特征非常复杂，建立几何模型时必须进行简化，简化原则如下：

a）删除细节

如果结构件上某些细节对问题的计算结果的影响很小，就可以忽略。例如与结构件相比，尺寸可以忽略的孔、槽、凸台、倒角、退刀槽、键槽、过渡圆弧等。

b）减维

如过某一个或者两个方向的尺寸远远小于其它方向的尺寸时，就可以进行减维处理，将三维结构件减为二维、一维或零维。如中心体的筒壁和筋板可简化为二维，反射面背架的梁可简化为一维，对于只提供负载而不提供结构支撑的天线设备可简化为零维，即质量元。

1.2 网格划分

划分网格是建立有限元模型的重要的环节。网格划分的形式、大小和数量会影响计算规模的大小和仿真结果的精度。网格越小、阶数越高，其计算结果的精度就越高，但是计算规模也越大，因此要根据实际情况进行网格的划分。如结构的关键连接部位和容易出现应力集中的地方必须将网格进行细化。

网格划分后的有限元模型如图1所示。

图1 天线俯仰90°有限元模型

1.3 载荷施加

在工作环境中需考虑天线自重载荷和风力载荷。

自重是一种基本载荷，对于工作姿态不变的天线，其自重产生的结构变形可以在加工或安装时进行调整补偿。由于该12m 天线工作范围为俯仰15°～90°，所以只能在固定俯仰角度下进行自重的补偿调整，其余俯仰姿态时必须考虑自重载荷。

风载由如下公式得来：

式中：q——动压,

v——工作风速12.5m／s；

A——面板口径面积；

CF——风力系数，该系数与面板的焦径比，风向角有关。

2 仿真分析

2.1 工况

根据天线工作时的俯仰范围，选取三个具有代表性的工作姿态，施加重力及风力载荷后，利用MSC Nastran的静力学分析模块进行分析，具体工况如表1所示。

2.2 分析结果

天线架设过程中，自重的补偿调整是在天线俯仰角度90°时进行的，因此，所有工况下计算出的面板变形值应减去工况3时的变形值，将最终数据进行处理后所得结果见表2，各俯仰角度下谐振频率见表3，工况2时面板变形云图见图2。

表1 工况

表2 天线面板变形及精度

表3 天线谐振频率

图2 天线俯仰45°自重变形云图

3 检测结果及分析

3.1 面板精度检测

天线架设完毕后，采用数字近景摄影测量系统检验面板精度，数字近景摄影测量是摄影测量的一个分支是一种光学非接触测量方法，它处理的对象是由摄像机自由拍摄得到的二维图像信息，通过二维信息重建得到物体在三维空间的位置、大小、形状乃至物体的运动。

测量条件为无风（风速小于2.8m／s），天线俯仰角度为15°、45°和90°。测量所得数据经工业三坐标测量系统MetroIN 软件按照固定焦距拟合后，得到最佳抛物面天线的表面法向均方根误差RMS，见表4。

表4 检测结果

3.2 结果分析

由于有限元仿真条件为理想条件，忽略了单块面板的制造误差σ1，反射面总装时的调整误差σ2以及测量系统误差σ3，因此，对仿真结果必须按照如下公式进行修正，

式中σ4为有限元仿真结果，单块面板制造误差出厂检测值为0.15mm，测量系统误差为0.1mm，面板总装误差在0.25～0.4mm 之间，而本次朝天状态测量值取测量值为0.314mm，故本次取值σ2为0.3mm；修正后仿真结果与测量结果对比见表5。

表5 仿真修正值与测量值的比较

修正后的仿真结果与测量结果存在差异的主要原因在于有限元仿真的假定环境为理想环境，与实际环境存在着风力和温度的影响。二者最大差值为9.7%，差别微小，说明有限元仿真是可信赖的。

4 结束语

本文介绍了天线结构有限元模型建立的方法，并确定了6种工况进行仿真分析，得出了不同工况下天线最佳拟合抛物面的法向均方根和不同俯仰角下天线结构的前三阶固有频率，阐述了仿真结果的修正方法，并在3种工况下进行了摄影测量，并将摄影测量值和有限元分析值的进行了比较和分析，验证了12m 天线有限元模型和分析的正确性。

［1］马爱军，周传月，王旭.Patran和Nastran有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［2］冯文灏.数码相机实施摄像测量的几个问题［J］.测绘信息与工程，2002，27（3）.

［3］朱钟淦，叶尚辉.天线结构设计［M］.成都：国防工业出版社，1996.