基於機電耦合模型的空間網狀反射面天線溫度載荷分析方法與流程
2023-10-26 02:41:32 1
本發明屬於雷達天線
技術領域：
，具體涉及雷達天線領域中的一種基於機電耦合模型的空間網狀反射面天線溫度載荷分析方法。
背景技術：
：網狀反射面天線由於其質量輕、收攏體積小等優點被逐漸應用於空間天線設計中。網狀反射面天線在軌運行過程中，周期性地受到太空輻射熱影響，熱變形引起的天線表面變形對天線的電性能產生很大影響。熱變形帶來的天線表面誤差將引起天線增益下降、副瓣電平上升、波束傾斜，嚴重影響天線的工作性能。因此，有必要從機電耦合的角度出發，針對空間網狀反射面天線在軌運行受到的溫度載荷進行分析，並提出基於機電耦合模型的空間網狀反射面天線溫度載荷分析方法，進而預測空間網狀反射面天線在軌環境下溫度載荷對天線電性能的影響，指導電性能分析與機電集成優化設計。段寶巖等在中國專利「大型地基面天線的溫度載荷機電耦合分析方法」中提出了一種分析大型地基面天線的溫度載荷機電耦合分析方法。該方法以地基面天線為對象，進行溫度載荷作用下的天線電性能分析；雖然可以為空間網狀反射面天線提供借鑑，但無法完全適用於空間網狀反射面天線上。洪元、朱敏波等在中國專利「一種星載天線在軌溫度的極端工況預測方法」中，公開了一種星載天線在軌溫度的極端工況預測方法。該方法以星載天線為對象，預測星載天線處於極端工況的熱變形問題；該方法沒有考慮到天線熱變形對電性能的影響，難以預測天線在溫度載荷作用下電性能變化情況。因此，針對空間網狀反射面天線在軌受溫度載荷影響的問題，需要從機電耦合的角度出發，針對空間網狀反射面天線在軌運行受到的溫度載荷進行分析，並提出基於機電耦合模型的空間網狀反射面天線溫度載荷分析方法，進而指導電性能分析與機電集成優化設計。技術實現要素：本發明的目的是克服上述現有技術的不足，提供一種基於機電耦合模型的空間網狀反射面天線溫度載荷分析方法。該方法基於機電耦合模型，從機電耦合的角度出發分析溫度載荷作用下的空間網狀反射面天線電性能，並指導空間網狀反射面天線在軌電性能分析與機電集成優化設計。本發明的技術方案是：基於機電耦合模型的空間網狀反射面天線溫度載荷分析方法，包括如下步驟：(1)輸入天線幾何參數、材料參數與電參數輸入用戶提供的空間網狀反射面天線的幾何參數、材料參數以及電參數；其中幾何參數包括口徑、焦距、偏置距離、前後網面最小距離；材料參數包括索結構、桁架結構和金屬絲網結構的材料密度、橫截面積、楊氏彈性模量、泊松比以及比熱容、熱傳導係數、熱膨脹係數、表面輻射率、吸收率；電參數包括工作波長、饋源參數、饋源初級方向圖以及電性能要求，其中電性能要求包括天線增益、波瓣寬度、副瓣電平以及指向精度；(2)建立天線結構有限元模型根據用戶提供的天線幾何參數、材料參數建立天線結構有限元模型，其中索結構採用只受拉的杆單元進行建模，桁架結構採用梁單元進行建模，金屬絲網結構採用殼單元進行建模；(3)建立天線熱有限元模型在天線結構有限元模型的基礎上，提取天線結構有限元模型中的節點坐標和杆單元、梁單元與殼單元的連接關係，根據索結構、桁架結構和金屬絲網結構的熱參數，分別按照空間網狀反射面天線的杆單元、梁單元以及殼單元建立天線熱有限元模型；(4)設置邊界條件根據空間網狀反射面天線所處的太空環境，設置熱傳導和熱輻射兩種導熱方式，根據天線結構的索結構、桁架結構和金屬絲網結構各部分之間的關係以及索結構、桁架結構和金屬絲網結構各部分之間的輻射吸熱、遮擋關係，添加熱有限元模型的邊界條件；(5)選擇軌道根據空間網狀反射面天線所在衛星的軌道高度，設置網狀天線的軌道參數；(6)溫度場計算根據空間網狀反射面天線熱有限元模型、邊界條件以及軌道參數，進行天線溫度場計算；(7)加載溫度場載荷將溫度場計算結果作為熱載荷施加到結構有限元模型上，進行靜態的熱變形計算；(8)熱變形計算在結構有限元模型施加熱載荷的基礎上，組集有限元剛度矩陣，得到天線結構整體熱位移場計算方程，依據此方程進行天線結構熱變形計算：[K]{δ}＝{FQ}其中，[K]為整體剛度矩陣，{δ}為整體空間熱位移列向量，{FQ}為整體節點熱載荷列向量；(9)輸出熱變形位移；(10)計算面片相位誤差；(11)採用機電耦合模型計算天線遠區電場；(12)判斷電性能是否滿足要求判斷步驟(11)得到的天線遠區電場是否滿足天線增益、波瓣寬度、副瓣電平、指向精度在內的電性能要求，如果滿足要求則轉至步驟(13)，否則轉至步驟(14)；(13)輸出天線結構設計方案當天線遠區電場滿足天線電性能要求時，輸出天線結構設計數據；(14)更新天線參數當天線遠區電場不滿足天線電性能要求時，在現有天線參數的基礎上疊加較小增量來代替現有天線參數，並轉至步驟(1)。上述步驟(9)中，將天線結構熱變形計算得到的整體空間熱位移列向量輸出到指定文件，以便進行後續電性能計算。上述步驟(10)中，根據天線結構熱變形位移，採用下式計算天線反射面面片相位誤差：其中，表示面片相位誤差，j表示虛數單位，k表示自由空間波數，δ表示熱變形位移列向量中與面片對應的一個分量，θs表示面片上任一點在饋源坐標系下的俯仰角，下標s表示饋源坐標系，θ表示遠場觀察點俯仰角。上述步驟(11)中，在獲得面片相位誤差的基礎上，採用下式的機電耦合模型計算天線遠區電場：其中，表示遠區電場，表示遠場觀察點位置矢量，j表示虛數單位，k表示自由空間波數，η表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數的指數運算，R表示遠場觀察點位置矢量幅度，π表示圓周率，表示單位並矢，表示單位矢量的並矢，Σ表示反射曲面，表示反射面上位置矢量處的面電流密度，表示反射面位置矢量，表示遠場觀察點的單位矢量，表示步驟(10)得到的面片相位誤差，σ表示投影口面，表示單位法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場。本發明的有益效果：本發明首先輸入天線幾何參數、材料參數與電參數信息，根據幾何參數、材料參數信息建立天線結構有限元模型；其次，在天線結構有限元模型基礎上，結合天線材料參數建立天線熱有限元模型，並根據天線所處的太空環境，設置邊界條件、選擇軌道參數，進行溫度場計算；再次，將溫度場計算結果作為外載荷施加到天線結構有限元模型上，進行靜態熱變形計算，輸出天線熱變形位移；最終，依據熱變形位移計算反射面面片相位誤差，採用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能，並以此進行在軌電性能分析與機電集成優化設計。與現有技術相比，本發明具有以下優點：1.本發明基於機電耦合模型，從天線結構有限元模型出發，建立天線熱有限元模型，進行靜態熱變形分析與反射面面片相位誤差計算，最終採用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能；2.本發明採用機電耦合模型計算溫度載荷作用下的天線電性能，可以同時兼顧天線結構性能與電性能要求，實現在軌環境下的網狀反射面天線電性能準確預測與機電集成優化設計。以下將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。附圖說明圖1為本發明的流程圖；圖2為網狀天線結構示意圖；圖3為網狀天線投影示意圖；圖4為理想天線與溫度載荷作用下網狀天線xz面遠場方向圖。具體實施方式下面結合附圖1，對本發明具體實施方式作進一步的詳細描述：本發明提供了一種基於機電耦合模型的空間網狀反射面天線溫度載荷分析方法，包括如下步驟：步驟1，輸入用戶提供的包含空間網狀反射面天線的幾何參數、材料參數以及電參數在內的各參數，其中幾何參數包括口徑、焦距、偏置距離、前後網面最小距離，材料參數包括索結構、桁架結構和金屬絲網結構的材料密度、橫截面積、楊氏彈性模量、泊松比，以及比熱容、熱傳導係數、熱膨脹係數、表面輻射率，吸收率，電參數包括工作波長、饋源參數、饋源初級方向圖以及電性能要求，其中電性能要求包括天線增益、波瓣寬度、副瓣電平以及指向精度；步驟2，根據用戶提供的天線幾何參數、材料參數建立天線結構有限元模型，其中索結構採用只受拉的杆單元進行建模、桁架結構採用梁單元進行建模，金屬絲網結構採用殼單元進行建模；步驟3，在天線結構有限元模型的基礎上，提取天線結構有限元模型中的節點坐標和杆單元、梁單元與殼單元的連接關係，根據索結構、桁架結構和金屬絲網結構的熱參數，分別按照空間網狀反射面天線的杆單元、梁單元以及殼單元建立天線熱有限元模型；步驟4，根據空間網狀反射面天線所處的太空環境，設置熱傳導和熱輻射兩種導熱方式，根據天線結構的索結構、桁架結構和金屬絲網結構各部分之間的關係以及索結構、桁架結構和金屬絲網結構各部分之間的輻射吸熱、遮擋關係，添加熱有限元模型的邊界條件；步驟5，根據空間網狀反射面天線所在衛星的軌道高度，設置網狀天線的軌道參數；步驟6，根據空間網狀反射面天線熱有限元模型、邊界條件與軌道參數，進行天線溫度場計算；步驟7，將溫度場計算結果作為熱載荷施加到結構有限元模型上，進行靜態的熱變形計算；步驟8，在結構有限元模型施加熱載荷的基礎上，組集有限元剛度矩陣，得到天線結構整體熱位移場計算方程，依據此方程進行天線結構熱變形計算[K]{δ}＝{FQ}其中，[K]為整體剛度矩陣，{δ}為整體空間熱位移列向量，{FQ}為整體節點熱載荷列向量；步驟9，將天線結構熱變形計算得到的整體空間熱位移列向量輸出到指定文件，以便為後續電性能計算；步驟10，根據天線結構熱變形位移，採用下式計算天線反射面面片相位誤差：其中，表示面片相位誤差，j表示虛數單位，k表示自由空間波數，δ表示熱變形位移列向量中與面片對應的一個分量，θs表示面片上任一點在饋源坐標系下的俯仰角，下標s表示饋源坐標系，θ表示遠場觀察點俯仰角；步驟11，在獲得面片相位誤差的基礎上，採用下式的機電耦合模型計算天線遠區電場：其中，表示遠區電場，表示遠場觀察點位置矢量，j表示虛數單位，k表示自由空間波數，η表示自由空間波阻抗，exp表示自然對數的指數運算，R表示遠場觀察點位置矢量幅度，π表示圓周率，表示單位並矢，表示單位矢量的並矢，Σ表示反射曲面，表示反射面上位置矢量處的面電流密度，表示反射面位置矢量，表示遠場觀察點的單位矢量，表示步驟10得到的面片相位誤差，σ表示投影口面，表示單位法向矢量，表示反射面位置矢量處的入射磁場；步驟12，判斷步驟11得到的天線遠區電場是否滿足天線增益、波瓣寬度、副瓣電平、指向精度在內的電性能要求，如果滿足要求則轉至步驟13，否則轉至步驟14；步驟13，當天線遠區電場滿足天線電性能要求時，輸出天線結構設計數據；步驟14，當天線遠區電場不滿足天線電性能要求時，在現有天線參數的基礎上疊加較小增量來代替現有天線參數，並轉至步驟1。本發明的優點可通過以下仿真實驗進一步說明：1.仿真條件：網狀天線最大投影口徑9.23m、焦距6m，偏置高度5m，前後網面最小間距0.2m，如圖2所示。工作頻率2GHz，饋源採用Cosine-Q類型饋源，極化方式為右旋圓極化，饋源參數為Qx＝Qy＝8.338，饋源傾斜角41.64度。網狀反射面前網面在口徑面內沿半徑方向等分6段，如圖3所示，其中虛線代表周邊桁架，實線代表索網。索的楊氏彈性模量為E＝20GPa，索橫截面積為A＝3.14mm2，索密度為1200kg/m3，周邊桁架楊氏彈性模量為4000GPa，橫杆密度為1800kg/m3，豎杆密度為3220kg/m3，斜杆密度為1840kg/m3，橫縱豎杆均為圓形橫截面積，其中橫杆內徑13.8mm，外徑15mm，豎杆內徑14.4mm，外徑15.6mm，斜杆內徑14.4mm，外徑15.6mm。2.仿真結果：採用本發明的方法進行網狀反射面天線處於溫度載荷作用下的變形分析，並輸出熱變形位移，計算天線電性能，進行機電集成優化設計。理想天線方向圖與溫度載荷作用下的方向圖如圖4所示，其中虛線表示理想天線狀態，實線表示熱變形狀態。表1給出了理想天線與溫度載荷作用下天線方向圖參數。結合圖4與表1可以看出，在溫度載荷作用下，天線方向圖發生了畸變，出現了最大方向係數下降、副瓣上升，其中方向係數由43.35dB下降到43.06dB，副瓣電平由-28.97dB上升至-28.78dB。表1理想天線與溫度載荷作用下天線方向圖參數表最大方向係數副瓣電平半功率波瓣寬度理想天線43.35dB-28.97dB1.26度熱變形43.06dB-28.78dB1.26度綜上所述，本發明首先輸入天線幾何參數、材料參數與電參數信息，根據幾何參數、材料參數信息建立天線結構有限元模型；其次，在天線結構有限元模型基礎上，結合天線材料參數建立天線熱有限元模型，並根據天線所處的太空環境，設置邊界條件、選擇軌道參數，進行溫度場計算；再次，將溫度場計算結果作為外載荷施加到天線結構有限元模型上，進行靜態熱變形計算，輸出天線熱變形位移；最終，依據熱變形位移計算反射面面片相位誤差，採用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能，並以此進行在軌電性能分析與機電集成優化設計。與現有技術相比，本發明具有以下優點：1.本發明基於機電耦合模型，從天線結構有限元模型出發，建立天線熱有限元模型，進行靜態熱變形分析與反射面面片相位誤差計算，最終採用機電耦合模型獲得溫度載荷作用下的天線電性能；2.本發明採用機電耦合模型計算溫度載荷作用下的天線電性能，可以同時兼顧天線結構性能與電性能要求，實現在軌環境下的網狀反射面天線電性能準確預測與機電集成優化設計。本實施方式中沒有詳細敘述的部分屬本行業的公知的常用手段，這裡不一一敘述。以上例舉僅僅是對本發明的舉例說明，並不構成對本發明的保護範圍的限制，凡是與本發明相同或相似的設計均屬於本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3