相控阵天线板有限元动力学仿真分析

叶 彬，郭 超

（山东丝绸纺织职业学院，山东 淄博 255300）

1 绪论

相控阵天线作为发射和接收电磁波的设备已广泛地应用于军事和民用电子领域。平面阵列天线的结构设计主要在于天线框架的结构设计，在给定天线阵面平面度要求的情况下，如何合理设计天线框架的结构就成为一道摆在结构设计人员面前的难题。天线板在滑倒过程中，会与人造革地面发生接触与碰撞，而碰撞时会产生很大的冲击力，这将会使天线板出现很大的应力。因此，要获取天线板滑倒过程中的有限元动力学仿真结果，并根据所获得的仿真数据来研究天线板在滑倒过程中的动态应力和变形规律，分析天线板滑倒时的结构损坏原因，为该类产品的结构设计提供理论依据。

2 天线板滑倒过程的有限元动力学仿真

在运用有限元软件对天线板滑倒过程进行仿真时，建立合适的模型，使天线板在一个将要与人造革地面发生碰撞的初始位置开始运动，并赋予天线板在该位置一个初始速度，在误差允许的范围内，该方法是可取的。最终应用的碰撞与接触模型见图1。

图1 碰撞与接触模型图

3 天线板有限元动力学仿真结果分析

3.1 电气板有限元动力学仿真结果

根据对结果的观察，电气板的应力在发生碰撞后5 ms左右达到峰值，故对这一时刻的结果要加以注意。图2、图3列出了电气板在5 ms左右的应力、应变云图。

由电气板的应力、应变云图可看出，电气板边沿的应力、应变较大，这主要是由于边沿部分在碰撞时是主要的受力部分，从而导致其变形比其他地方的大。总的来说，电气板的应力值并不是很大，由应力曲线图可看出最大应力值在25 MPa左右。

3.2 框架有限元动力学仿真结果

通过对框架的应力云图的观察，可知峰值应力大概出现在碰撞发生后3 ms左右。由框架的应力曲线图可以看出，框架的最大应力在200 MPa左右，远大于电气板的应力值，这主要是由于框架作为整个天线板的主要承力构件，其刚度较大的缘故。又从应力云图可看出，框架有一侧的应力较大，这主要是由于该一侧在开始时是靠在调试平台上的，当天线板滑倒时，该侧的速度将会很大，在与地面碰撞时，将会造成很大冲击，形成很大的应力，从而出现该侧应力值远大于另一侧的情况。

图2 电气板的应力云图

图3 电气板的应变云图

3.3 有源安装板有限元动力学仿真结果

通过对有源安装板的应力云图的观察，可知峰值应力大概出现在碰撞发生后 5 ms左右，由安装板的应力曲线图可以看出，安装板的最大应力值在2 MPa左右，远远低于框架的峰值应力，同时也比电气板的峰值应力低，这主要是由于安装板的刚度较其他两个部分的刚度低，再加上有源安装板并不像电气板一样直接与地面发生碰撞，所以就出现了有源安装板的峰值应力低于其他两个部分的情况。

3.4 天线板有限元动力学仿真结果分析

由天线板各构件材料的许用应力可知，有源安装板材料的许用应力在200 MPa以上，压电材料的许用应力也皆在200 MPa以上，而框架的材料为碳纤维，其许用应力在1 000 MPa以上，而从仿真分析所获得的天线板在滑倒过程中各个部件的峰值应力可知，这些峰值应力皆远低于相应的天线板各组成部件的材料的许用应力。所以从强度上来讲，天线板的强度无疑是符合要求的。又从天线板各部件的应变云图及相应的应变曲线图可知，天线板在碰撞过程中，框架和电气板的应变量皆较小，而安装板的应变量却很大，达到0.016，这说明安装板的刚性并不是很理想，有待进一步加强。

4 天线板刚度和强度的加强措施

4.1 框架刚度和强度的加强措施

加设辅助支撑提高骨架平面抗扭能力；局部形成硬壳式结构；确保连接接头的连续性；增加承力梁节点的刚性（如增加节点板）；采用预应力技术；局部采用复合材料加固（如将碳纤维材料用于梁的缘翼）；增大天线骨架透空性，回避最不利受力方向；合理设计梁截面形状，充分发挥材料性能。

4.2 有源安装板和电气板刚度和强度的加强措施

对于提高天线板的刚度和强度，除了可以通过加强框架的刚度和强度来达到目的外，还可以通过加强有源安装板及电气板的刚度和强度来达到提高天线板的刚度和强度的目的。要达到提高有源安装板和电气板的刚度和强度，可以在保证电性能要求的前提下，通过在结构上合理布置板上用于安装电子元件的孔，以达到提高刚度和强度的目的，此外还可以通过合理设计用于组成电气板和安装板的蜂窝板的结构来达到提高刚度和强度的目的。