相控陣天線板有限元動力學仿真分析

葉 彬，郭 超

（山東絲綢紡織職業(yè)學院，山東 淄博 255300）

1 緒論

相控陣天線作為發(fā)射和接收電磁波的設備已廣泛地應用于軍事和民用電子領域。平面陣列天線的結構設計主要在于天線框架的結構設計，在給定天線陣面平面度要求的情況下，如何合理設計天線框架的結構就成為一道擺在結構設計人員面前的難題。天線板在滑倒過程中，會與人造革地面發(fā)生接觸與碰撞，而碰撞時會產(chǎn)生很大的沖擊力，這將會使天線板出現(xiàn)很大的應力。因此，要獲取天線板滑倒過程中的有限元動力學仿真結果，并根據(jù)所獲得的仿真數(shù)據(jù)來研究天線板在滑倒過程中的動態(tài)應力和變形規(guī)律，分析天線板滑倒時的結構損壞原因，為該類產(chǎn)品的結構設計提供理論依據(jù)。

2 天線板滑倒過程的有限元動力學仿真

在運用有限元軟件對天線板滑倒過程進行仿真時，建立合適的模型，使天線板在一個將要與人造革地面發(fā)生碰撞的初始位置開始運動，并賦予天線板在該位置一個初始速度，在誤差允許的范圍內，該方法是可取的。最終應用的碰撞與接觸模型見圖1。

圖1 碰撞與接觸模型圖

3 天線板有限元動力學仿真結果分析

3.1 電氣板有限元動力學仿真結果

根據(jù)對結果的觀察，電氣板的應力在發(fā)生碰撞后5 ms左右達到峰值，故對這一時刻的結果要加以注意。圖2、圖3列出了電氣板在5 ms左右的應力、應變云圖。

由電氣板的應力、應變云圖可看出，電氣板邊沿的應力、應變較大，這主要是由于邊沿部分在碰撞時是主要的受力部分，從而導致其變形比其他地方的大。總的來說，電氣板的應力值并不是很大，由應力曲線圖可看出最大應力值在25 MPa左右。

3.2 框架有限元動力學仿真結果

通過對框架的應力云圖的觀察，可知峰值應力大概出現(xiàn)在碰撞發(fā)生后3 ms左右。由框架的應力曲線圖可以看出，框架的最大應力在200 MPa左右，遠大于電氣板的應力值，這主要是由于框架作為整個天線板的主要承力構件，其剛度較大的緣故。又從應力云圖可看出，框架有一側的應力較大，這主要是由于該一側在開始時是靠在調試平臺上的，當天線板滑倒時，該側的速度將會很大，在與地面碰撞時，將會造成很大沖擊，形成很大的應力，從而出現(xiàn)該側應力值遠大于另一側的情況。

圖2 電氣板的應力云圖

圖3 電氣板的應變云圖

3.3 有源安裝板有限元動力學仿真結果

通過對有源安裝板的應力云圖的觀察，可知峰值應力大概出現(xiàn)在碰撞發(fā)生后 5 ms左右，由安裝板的應力曲線圖可以看出，安裝板的最大應力值在2 MPa左右，遠遠低于框架的峰值應力，同時也比電氣板的峰值應力低，這主要是由于安裝板的剛度較其他兩個部分的剛度低，再加上有源安裝板并不像電氣板一樣直接與地面發(fā)生碰撞，所以就出現(xiàn)了有源安裝板的峰值應力低于其他兩個部分的情況。

3.4 天線板有限元動力學仿真結果分析

由天線板各構件材料的許用應力可知，有源安裝板材料的許用應力在200 MPa以上，壓電材料的許用應力也皆在200 MPa以上，而框架的材料為碳纖維，其許用應力在1 000 MPa以上，而從仿真分析所獲得的天線板在滑倒過程中各個部件的峰值應力可知，這些峰值應力皆遠低于相應的天線板各組成部件的材料的許用應力。所以從強度上來講，天線板的強度無疑是符合要求的。又從天線板各部件的應變云圖及相應的應變曲線圖可知，天線板在碰撞過程中，框架和電氣板的應變量皆較小，而安裝板的應變量卻很大，達到0.016，這說明安裝板的剛性并不是很理想，有待進一步加強。

4 天線板剛度和強度的加強措施

4.1 框架剛度和強度的加強措施

加設輔助支撐提高骨架平面抗扭能力；局部形成硬殼式結構；確保連接接頭的連續(xù)性；增加承力梁節(jié)點的剛性（如增加節(jié)點板）；采用預應力技術；局部采用復合材料加固（如將碳纖維材料用于梁的緣翼）；增大天線骨架透空性，回避最不利受力方向；合理設計梁截面形狀，充分發(fā)揮材料性能。

4.2 有源安裝板和電氣板剛度和強度的加強措施

對于提高天線板的剛度和強度，除了可以通過加強框架的剛度和強度來達到目的外，還可以通過加強有源安裝板及電氣板的剛度和強度來達到提高天線板的剛度和強度的目的。要達到提高有源安裝板和電氣板的剛度和強度，可以在保證電性能要求的前提下，通過在結構上合理布置板上用于安裝電子元件的孔，以達到提高剛度和強度的目的，此外還可以通過合理設計用于組成電氣板和安裝板的蜂窩板的結構來達到提高剛度和強度的目的。