星载天线动力学仿真分析

李虎 张峰

摘 要：星载天线升空过程是一个复杂的力学过程，合理的有限元模型建立是获得该过程中应力响应、加速度响应和位移响应等信息的关键。该文基于通用有限元软件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模块建立某星载天线的三维有限元模型，分析其升空状态下的应力响应、加速度响应和位移响应，为星载天线设计及优化提供理论依据。

关键词：ABAQUS 星载天线 动力学分析 有限元

中图分类号：V443 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（b）-0056-02

星载天线被广泛应用于无线电通讯、空间科学、对地观测等领域。由于这些领域的迅速发展，对星载天线结构的尺寸和性能要求越来越高[1]。天线体附着在卫星外表面，经历着与卫星同样的过程。在火箭加速上升过程可引起卫星的振动、冲击载荷等。因此，为提高星载天线的精度和使用寿命，对其进行动力学研究十分必要。

星载天线升空过程是一个多因素作用下，集几何、材料、边界条件的三重非线性为一体的复杂的动力学过程，单纯采用理论解析方法难以准确、有把握地解决实际问题；采用试验手段不具普适性，难以对问题给予普遍性的解答和规律性的指导。

该文基于有限元软件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模块建立某星载天线的三维有限元模型，分析其升空状态下的动力学响应，为星载天线设计及优化提供理论依据。

1 有限元模型的建立及关键技术处理

1.1 有限元模型的建立

该天线是一副十字交叉偶极天线，主要由振子、反射器、绝缘支撑、天线支撑杆等组成。天线轮廓尺寸为0.5 m×0.5 m×0.36 m。绝缘支撑采用材料凯夫拉，其具有低的线膨胀系数、良好的电磁波透过性能、抗冲击性能。振子、反射器、天线支撑杆均选用铝合金，这样既可保证强度，又能满足天线体质量要求。

星载天线升空过程是复杂的动力学过程。因而建立合理的有限元模型是实现星载天线动力学分析的前提。该文基于有限元软件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模块建立了星载天线的有限元模型，如图1所示。

有限元模型各部件间，根据它们之间的连接关系，采用相应的连接单元，把各零件组合成为与实际装配关系相近的装配模型。对于面（线）—面（线）的固定链接，采用绑定（TIE）方式处理。为了使计算模型与真实模型的质量相当，需要对模型进行配重。根据电缆等元器件的实际质量计算出密度缩放因数加在对应的材料密度上。

1.2 关键技术处理

1.2.1 单元的选择与网格划分

根据星载天线的结构特点，结合分析内容，并考虑计算效率与计算精度，模型采用实体单元划分网格。线性单元比二次单元对网格扭曲的敏感性低，对于动力学分析这种复杂的力学问题采用线性单元比较合适。因此，对于天线的主体部分采用六面体八节点的线性实体减缩积分单元C3D8R进行离散，此单元具有抗沙漏效应，抗畸变能力强，并能高效、稳定地进行复杂的动力学计算[3]。

1.2.2 动态加载和接触边界

天线所受的动载荷主要是受到在发射阶段卫星和运载火箭联合的动力载荷。主要进行正弦振动频率响应载荷分析。通过ABAQUS软件的Response spectrum（谱相应）模块进行仿真设计，得到3个方向下的峰值响应。天线底座处以BASE MOTION的形式将正弦振动激励加载在天线上。

ABAQUS中有动力学接触，动力学接触是修正的接触算法，严格执行接触约束，能很好地应用于动力学仿真计算。接触面间采用剪切摩擦模型，有限滑动摩擦准则。

2 计算结果及讨论

在ABAQUS软件的Abaqus/CAE Version模块下进行前处理，最后在ABAQUS软件的相应模块下进行力学仿真计算。

2.1 天线结构模态分析

在ABAQUS软件的Frequency模块下对天线进行模态分析，确定天线的固有频率，在进行模态分析时，将天线的底座全约束。表1中列出天线的前10阶模态的固有频率。天线的第一阶频率为166.76 Hz，此阶模态主要由天线支撑杆参与振动，并带动振子和绝缘支撑摆动，振型为沿X和Z轴方向的摆动，X轴方向的摆动大，参与有效质量较大，达到43.32%。第二阶频率为166.78 Hz，和一阶频率较接近，振型也与一阶频率类似，区别在于沿Z轴方向的摆动大，参与有效质量较大。第三阶和第四阶频率分别为253.13 Hz和258.57 Hz，此两阶模态的频率、振型和参与有效质量都接近，此两阶模态主要由天线反射器参与振动，振型为沿X和Z轴方向的摆动，反射器重量较轻，参与的有效质量也较小。

2.2 天线结构正弦振动分析

通过ABAQUS软件的Response spectrum（谱相应）模块进行仿真设计，得到3个方向下的峰值响应。天线体是对称结构，X和Z方向的响应结果是一样的。天线底座处以BASE MOTION的形式将正弦振动激励加载在天线上，施加的位移、加速度值见表2，每一阶模态加5%临界阻尼。

3 结语

（1）该文基于通用有限元软件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模块建立某星载天线的三维有限元模型。（2）通过ABAQUS软件的Frequency模块对天线进行模态分析，提取了天线的固有频率，与试验结果对比，吻合良好。（3）通过ABAQUS软件的Response spectrum模块进行正弦振动仿真分析，为星载天线设计及优化提供理论依据。

参考文献

[1] 邮电部北京设计所.天线和馈电线[M].北京：人民邮电出版社，1985.

[2] 詹梅，马明娟，杨合，等.旋轮参数对异型薄壁壳体强力旋压成形的影响[J].锻压技术，2006（5）：144-147.

[3] 石亦平.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.