天线阵面结构刚度性能分析方法研究*

王 晨，陈斯文，王 超，张继成

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039；2. 海军驻南京地区电子设备军事代表室， 江苏 南京 210013)

天线阵面结构刚度性能分析方法研究*

王 晨1，陈斯文2，王 超1，张继成1

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039；2. 海军驻南京地区电子设备军事代表室， 江苏 南京 210013)

天线阵面结构的刚度性能是天线设计中需要重点关注的设计指标，其性能的优劣将影响相关电讯指标的可实现性。文中以两个典型的天线阵面结构为分析对象，详细介绍了阵面结构有限元模型(FEM)的构建技术、阵面结构固有振动特性、刚度和强度性能的分析方法，并深入研究了HYPERWORKS和MSC-NASTRAN在天线阵面刚度/精度分析方面的一体化分析技术。最后，通过对阵面结构刚度的分析提出了阵面结构的改进设计方案，有效提高了阵面结构的刚度性能。

天线阵面；刚度性能；有限元；改进设计

引 言

现代雷达产品普遍具有研发周期短、性能要求高、成本控制严等要求。想要在较短的时间内完成产品的研制，采用计算机辅助工程(CAE)等现代化辅助分析技术是必不可少的[1-2]。天线骨架作为整个天线的主要承力部件，既要保证天线结构在服役环境下不被破坏，又要确保天线能够保持高精度的电讯性能，因此在天线结构的设计阶段，必须对其进行必要的刚强度分析与校核，而有限元仿真计算是验证结构设计是否符合刚强度要求的重要依据。目前有限元仿真技术在雷达的结构设计当中已经得到了广泛的应用[3-5]。

雷达在工作中会受到风载、自身重力、转动惯性力及冲击等多种载荷的共同作用，为了使得雷达在一般环境条件下能正常工作且能在恶劣的环境条件下不被破坏，需对雷达天线结构的刚度和强度性能进行分析和评价，并根据分析结果对天线阵面提出合理的改进设计方案，为天线结构的设计和改进提供技术支持。

现在普遍应用于天线阵面刚度/强度分析的商业软件有ANSYS、ABAQUS及MSC-NASTRAN等。由于HYPERWORKS软件在复杂形面前后处理(前处理：HYPERMESH，后处理：HYPERVIEW)方面的优异性能，使其得到越来越多的应用。因此，进一步研究HYPERWORKS和MSC-NASTRAN在天线阵面刚度/精度分析方面的一体化分析技术就显得十分必要。

本文首先以某典型的舰载雷达和地面雷达为分析对象，分别介绍了运用HYPERVIEW软件进行阵面结构的建模技术、阵面结构刚度分析方法、采用HYPERVIEW和EXCEL软件对阵面结构刚度性能/精度进行评价，并以地面雷达为例介绍了阵面结构的优化设计方法。

1 天线阵面结构的建模技术

为了使建立的有限元模型能够较真实地反应阵面结构的实际受力状况，需对阵面采取合理的简化(如紧固件等连接方式的模拟、局部圆孔/方孔的处理)。在HYPERMESH软件中可通过MATS模块定义材料属性、PROPS模块定义零件的截面属性、CHECK ELEMENT模块检查单元网格质量、AUTOMESH模块划分高质量的单元……，通过HYPERMESH软件的这些方法建立的某一舰载雷达模型如图1所示，某一地面雷达模型如图2所示。

图1 某一舰载雷达的有限元模型

图2 某地面雷达的有限元模型

同时为了进一步提高模型的分析精度，需对模型的相关指标进行检查，表1列出了图1所示舰载雷达模型质量的检查结果。

表1 某一舰载雷达模型质量检查

2 天线阵面结构刚度/强度性能分析

2.1 天线阵面结构固有振动特性分析

天线阵面结构的固有振动特性是分析其自身刚度性能(舰载雷达一般要求其最低阶模态频率不低于某一限值)及其分布的重要方法，通过对其进行固有振动特性的分析，还可以初步分析其在随机激励载荷下的强度性能。

在HYPERMESH/NASTRAN模块中可通过EIGRL卡片定义所分析模型的固有振动特性的频率范围、阶次、归一化方法等信息。通过对图1所示的舰载雷达阵面进行分析，得到其第1阶振动的固有振动频率为42.93 Hz，对应的模态阵型如图3所示。

图3 第1阶固有振动的模态阵型

2.2 天线阵面结构刚度/强度特性分析

天线阵面结构刚度性能是重要的结构性能，其反射面的平面度(均方根值)将对雷达的电讯指标的实现产生重要影响。在HYPERMESH/NASTRAN模块中，可通过GRAV卡片定义重力方向和重力加速度大小；利用RFORCE定义转动惯量的惯性轴及转动加速度；另外可以通过LOAD模块对各种载荷进行综合分析。

图2所示的地面雷达的天线结构的主要组成有：反射网(模型中仅考虑质量效应)、刀片(壳单元)、反射面撑杆(梁单元)、各上下分块间的连接座(实体单元)、馈源支架(梁单元)、馈源喇叭(集中质量单元模拟)等。以该天线结构为对象，分析其在以下两种工况下的刚度/强度性能：1)自身重力；2)自身重力 + 20 m/s风载(正向/背向) + 4 r/min转速。图4和图5列出了天线阵面在自身重力作用下的变形(最大变形为3.35 mm)分布及反射面撑杆的应力分布(最大应力为18.3 MPa)，满足强度性能要求。

图4 天线阵面的变形分布(单位：mm)

图5反射面撑杆的应力分布(单位：MPa)

2.3 天线阵面结构精度分析方法

阵面结构变形量的均方根值是评价其在各种载荷作用下工作精度的重要指标，这一节将详细介绍利用HYPERVIEW及EXCEL软件对MSC-NASTRAN的分析结果进行处理得到阵面变形的均方根值的方法，具体的分析流程如下：

1)按照要求选择合适的间距在天线阵面上选取足够的采样点；

2)通过一定处理(如先备份模型，再在备份模型上删除除采样点以外的所有模型信息)得到只有采样点的模型文件**.dat，该文件里会有各采样点的节点号、节点坐标(X、Y、Z)，图6列出了该文件中的部分节点信息的格式；

GRID 41355 1710.0 4255.801-3757.13

GRID 41384 1995.0 4212.95-3721.09

GRID 41565 1425.0 4292.04-3787.48

GRID 41774 570.00024360.833-3845.22

GRID 41803 855.00024344.316-3831.57

GRID 42006 1140.0 4321.582-3812.26

GRID 42383 -285.0 4370.648-3853.43

GRID 42412 2.50E-044373.912-3856.17

图6 模型文件**.dat中的数据格式

3)将节点信息粘贴到Excel中的一列，再通过MID函数分离出各节点的编号以及X轴、Y轴和Z轴的坐标；

4)通过HYPERVIEW软件读取MSC-NASTRAN软件的结果文件**.op2，并在如图7所示的Result Type模块中选择变形的方向(X、Y、Z和Mag)，然后在Measure Groups中建立新的测量模块，并在Ralative Displacement模块中点击模型中的任意一节点即可输出其变形信息。将上述结果文件保存成**.mvw文件；

图7 阵面节点位移输出模块

5)打开上述**.mvw文件，将里面“*NodeLocator(“1 Part ** Node *****”*)”拷贝到Excel表格中，将节点号转换第2步中确定的节点号，形成类似图8所示的数据形式；

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41355")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41384")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41565")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41774")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 41803")

*NodeLocator("1 Part 15 Nodel 42006")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42383")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42412")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42615")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 42992")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 43021")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 43224")

*NodeLocator("1 Part 15 Node 43601")

图8 数据采集点的表示形式

6)将第5步中的所有内容都拷贝到通过第4步生成的mvw文件中的*NodeLocator (“1 Part ** Node ******”)的位置，并覆盖原有类似内容并保存；

7)在HYPERVIEW中打开第6步中保存的mvw文件，在如图7所示的窗口中选择Measure Group 3中所有的节点，并在Creat curve中选择变形值的方向及生成曲线的窗口(一般重建一个HyperGraph窗口)，即可生成如图9所示的各测点的变形值。

图9 各测点的变形值

8)将第7步生成的各参考点的变形曲线转换成文本文件；

9)将生成的文本文件拷贝到Excel中的某一列中，利用Excel的Value命令提取出各节点的变形量。

10)对第9步中求得的各采样点的变形量进行分析，求得阵面的变形量的均方根值。

3 天线阵面结构优化设计

对图2所示的地面雷达进行阵面结构刚度/强度分析时，根据天线阵面结构变形分布的特点不断对其结构进行改进设计，以提高阵面结构的刚度性能。该阵面在设计中的优化流程如图10所示。

图10 天线阵面结构的优化设计流程

优化设计后的天线阵面结构变形量的均方根值由7.14 mm提高到2.37 mm，最终满足了电讯指标要求。

4 结束语

探讨了利用HYPERMESH/NASTRAN软件对天线阵面结构进行建模的关键技术，在此基础上对两种典型阵面结构进行了刚度/强度及振动特性的分析，并对某一典型地面雷达的天线结构进行了优化设计，提高了阵面结构反射面的精度。深入研究了HYPERWORKS和MSC-NASTRAN软件求解天线阵面结构刚度/精度的分析方法(流程)。这些分析工作可对相关项目的工作提供有益帮助。

[1] 王勖成. 有限单元法[M]. 北京: 清华大学出版社，2003.

[2] 张洪武, 关振群. 有限元分析与CAE技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[3] 操卫忠, 陶晓英. 某车载雷达天线骨架结构的有限元分析[J]. 电子机械工程, 2014, 30(3): 57-60.

[4] 查金水. 某米波雷达天线系统结构设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(2): 26-29.

[5] 陈玉振, 周勤. 基于ANSYS的雷达结构强度分析[J]. 电子机械工程, 2011, 27(1): 51-52.

[6] 王昭. 某相控阵天线阵面静态仿真分析[J]. 电子机械工程, 2012, 28(6): 23-26.

王 晨(1981-)，男，工程师，主要研究方向为有源相控阵阵面结构设计。

Analysis Methods of Stiffness Performance of Antenna Array Structure

WANG Chen1，CHEN Si-wen2，WANG Chao1，ZHANG Ji-cheng1

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.NavalRepresentativeOfficeofElectronicEquipmentResidentinNanjingArea,Nanjing210013,China)

More attentions will be paid on stiffness performance when antenna array is designed. Stiffness performance quality will affect the realization of telecommunications indicators. In this paper, construction technology of finite element model (FEM), natural vibration characteristics and stiffness/strength performance of antenna array were analyzed based on two typical antenna array structures. And then design methods for stiffness performance/profile accuracy of antenna array were researched through HYPERWORKS and MSC-NASTRAN. Finally, based on the analysis result of the stiffness performance of antenna array, the improved design methods were proposed and the stiffness was improved effectively.

antenna array; stiffness performance; finite element; improved design

2016-03-17

TN823.+27

A

1008-5300(2016)03-0035-03