MSC软件在天线结构设计分析中的应用

MSC软件在天线结构设计分析中的应用

王建宅 郭海鹰

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

摘要：以9米天线系统为例，介绍了利用MSC.Patran/Nastran有限元分析软件进行数字化建模的过程，给出了天线载荷的计算方法，并根据系统仿真给出的静力分析结果，验证了天线设计的刚度和强度；根据模态分析给出了系统的固有频率和振型。阐述了CAE软件在天线结构设计中发挥的重要作用，给出了基于MSC软件，天线结构设计分析的一般性方法。 关键词：天线结构 MSC 有限元 固有频率

MSC software’s application in the design

and analysis of antenna structure

Wang Jianzhai Guo Haiying

（The 54th Research Institute of CETC ，Shijiazhuang 050081，China）

Abstract: Based on the 9m diameter antenna，the paper introduces a digitized model using MSC.Patran/Nastran finite element method simulation software. Load’s calculating method is presented，and antenna’ rigidity and strength is discussed according to the simulation result. The system’s natural frequency and vibration model is provided according to modal analysis. It is deduced that CAE software will pay more important role in antenna structure design，and universality method in the design and analysis of antenna structure is presented based on MSC software..

Key Words: antenna structure MSC finite element method natural frequency

1 引言

在各种电子专用设备中，天线结构较为复杂且形式多样，随着科学技术的飞速发展，天线被广泛应用于通信、雷达、射电天文等领域。天线结构对保证系统整体电性能发挥着非常重要的作用，其合理设计应确保在各种环境下，天线能够精确地保持形状和姿态。目前，天线的结构设计分析已自成体系，其中关键部分就是设计模型的建立及在此基础上进行的刚强度分析和变形的计算。以往多采用经验类比设计与传统材料力学简化计算相结合的方法，但这一方法在很大程度上取决于设计人员的经验，并且往往使设计偏于保守，致使产品重量大，成本高。尤其在当前客户要求越来越多样化的情况下，已不能适应瞬息万变的市场要求。随着计算机技术和数值计算理论的发展，借助CAE技术使得天线系统仿真和结构分析成为可能。CAE技术是在三维实体建模的基础上，从产品的方案设计阶段开始，按照实际使用的条件进·420 ·

行仿真和结构分析，按照性能要求进行设计和综合评价，以便从多个设计方案中选择最佳方案。笔者在天线结构设计中选用的CAE技术软件为MSC.Patran/Nastran有限元分析软件。

MSC.Patran/Nastran是美国MSC公司开发的用于工程校验、有限元分析和计算机仿真的软件。Patran是有限元分析前后处理软件，使用它可以实现建模的自动化和仿真结果的可视化；Nastran是世界上应用最为广泛的大型通用结构有限元分析软件，在全球各个工业领域得到成功的应用。

2 问题的提出

天线结构是一种高精度的机械结构，它的最终目的是保证其电气性能要求。而实际上，由于天线将收到自重、风荷等外载的作用，天线表面必然偏离其理想设计形状，因此也就必然会影响其电气性能。这种天线表面误差对电气性能的影响按Ruze公式可定量地描述为

G (4πδ/λ)2ηs==e G0

式中：ηs——天线增益下降系数；

G0——无表面误差时天线的增益；

G——有表面误差时的增益；

δ——天线表面各点半光程差的均方根值（rms）；

λ——波长。

采用分贝来表示增益下降系数，式（1）可写成 （1）

σ ηs≈ 686 （dB） λ 2 （2）

由式（1），式（2）可见：随着表面误差的增大，天线增益将明显下降。因此，对于天线表面误差的分析计算是必要的。

天线的动态特性——固有频率和振型是系统的固有属性。对于动力系统，位移U（t）和外力F（t）都是时间的函数，若考虑阻尼力和速度Ú成正比，惯性力与加速度Ü成正比，根据达郎贝尔原理，动力平衡方程如下：

（3） [K]{U}+[C]{Ú}+[M]{Ü}={F（t）}

式（3）中，{U}、{Ú}、{Ü}分别为节点的位移、速度和加速度列向量；[K] [C] [M]分别为刚度矩阵，阻尼矩阵、质量矩阵；{F（t）}为载荷列向量。

对于一个无阻尼自由振动系统，其无阻尼自由振动方程为：

[K]{U}+[M]{Ü}=0 （4）

任一自由振动都可以看成是简谐振动，假设作如下简谐运动；

（5） {U（t）}={φ}cosω t

式中，ω为圆频率，{φ }为振幅列向量。将式（5）代入式（4）得：

（[K]-ω2[M]） {φ }=0 （6）

或

（7） [K] {φ }=λ [M] {φ }

式（7）称为广义特征方程；λ为特征值，λ =ω 2；{φ }为特征向量。

·421·

对于每一个固有频率ωI，由式（7）可以解出一个列向量{φi}，特征向量{φi}工程上称之为振型。

在有限元分析中，一个系统可以看作是n个质点的集合，所有质点在某个频率下的振幅就构成了该系统对应与该频率的振型。

3 MSC.Patran/Nastran的分析流程

作为著名的有限元前后处理软件，Patran前后处理功能齐全，界面友好，易于操作。用Patran/Nastran软件进行天线结构设计分析的一般流程如下：

（1）建立几何模型

几何模型可直接在MSC.Patran中建立，也可直接从CAD软件中读入，或先 …… 此处隐藏：2951字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……