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CAE/模拟仿真 |
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CAE技术在星载雷达天线研制中的应用 |
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作者：安世亚太 熊永虎 张海波 |
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1 概述
CAE（Computer Aided Engineering） ，计算机辅助工程技术的发展使得我们可以基于产品的初步设计模型，建立产品的有限元模型。可以在有限元模型上施加力、力矩和运动激励，执行一组与实际状况十分接近的力学仿真测试，以了解其在实际工作环境时的性能。
在某型号的星载雷达天线系统的研制中，由于一定的原因导致研制方的天线系统交付时间一再推迟，严重影响了卫星总体的整星试验状态。为此，卫星总体要求雷达系统研制一套天线结构模拟件，用于卫星总体的整星试验。天线结构模拟件最重要的设计要求是：天线结构模拟件的刚度特性要与研制方的天线系统一致，误差不得超过5％。
正是采用了CAE 技术，才使得我们高质量地完成了天线结构模拟件的研制任务。
2 研制方天线的刚度特性
研制方天线系统的前三阶固有频率见表1，振型见图1。
研制方天线系统第一阶振型主要是上部结构的扭转，第二振型主要是上部结构的支撑杆和下部结构支撑杆在YZ 平面内的弯曲，第三阶振型主要是下部结构支撑杆在XZ 平面内的弯曲。
3 天线结构设计与CAE分析
3.1 结构设计
结构设计首先考虑，尽管可以通过对天线结构模拟件合理进行有限元网格的划分、合理进行结构连接部分和边界的约束处理，来提高ANSYS 软件计算准确度，但是结构的实际连接状态一定会与分析模型存在差别，会造成分析结果与模态测试结果的差异，因此，天线结构模拟件必须设计可调整结构，来达到对频率和振型进行调整的目的。其次考虑，兼顾研制方天线的构型、尺寸和质量特性。最后完成天线结构模拟件的结构设计，见图2 所示。
图2 天线结构模拟件构型
3.2 CAE分析计算
利用ANSYS 软件，在天线结构模拟件初步设计的构型和尺寸基础上，合理调整上部结构连接件的尺寸，将天线结构模拟件的第一阶模态的频率调整到了28Hz 左右；合理调整上部结构的支撑杆和下部结构支撑杆的尺寸，将天线结构模拟件第二和第三阶模态的频率分别调整到了38Hz和44Hz左右。
同时，对天线结构模拟件配重调整块的调节能力进行了定量计算，上部调整块向上方位移100mm 左右即可将天线结构模拟件的第一阶模态频率降低5Hz 左右，下部调整块增加2～3kg 的重量即可将天线结构模拟件的第二和第三阶模态频率降低2Hz 左右，下部调整块向上方位移100mm 左右即可将天线结构模拟件的第二和第三阶模态频率降低3Hz 左右。
某一构型状态下，天线结构模拟件有限元分析模型的计算结果见表2，振型见图3。
天线结构模拟件第一阶振型主要是上部结构的扭转，第二振型主要是上部结构的支撑杆和下部结构支撑杆在YZ 平面内的弯曲，第三阶振型主要是下部结构支撑杆在XZ 平面内的弯曲。与研制方天线系统的振型完全一致。
这样，基于CAE 技术的分析结果，确定了天线结构模拟件的结构状态，可以转入生产阶段。
4 模态测试
基于CAE 技术的分析结果，天线结构模拟件投产、装配后，利用LMS 公司的模态测试设备对天线结构模拟件进行了模态测试。
天线结构模拟件的安装、模态测试状态以及加速度传感器测量点布局见图4 所示。图4 中，天线结构模拟件安装在卫星接口模拟架上，模拟架底部与地面固定，侧面与模拟墙固定。
图4 天线结构模拟件测试状态和测量点布局
在模态测试过程中，按照既定的调整方案，完成了天线结构模拟件刚度特性的调整。最终状态的天线结构模拟件模态测试结果见表3，振型见图5 所示。
5 结论
利用ANSYS 软件，基于CAE 技术，对星载天线结构的模态进行了大量的对比分析计算，确定了合理的结构设计和调整方案。结合CAE 的分析结果，对天线结构进行了模态测试，按照既定的调整方案顺利地完成了刚度特性的调整，天线结构模拟件的刚度特性测试结果与研制方天线刚度特性的基本一致。第一阶模态频率的误差小于0.2 ％，第二阶模态频率的误差小于8.6 ％，第三阶模态频率的误差小于0.3 ％，模态振型完全一致，达到了卫星系统对天线结构的设计要求。(end)
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(7/15/2009) |
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