相控陣天線板有限元模型的建立與碰撞建模分析

葉 彬，常 立

山東絲綢紡織職業(yè)學(xué)院，山東淄博 255300

相控陣天線板有限元模型的建立與碰撞建模分析

葉 彬，常 立

山東絲綢紡織職業(yè)學(xué)院，山東淄博 255300

首先建立了天線板有限元網(wǎng)格模型，其中對(duì)有限元的模型假設(shè)、單元類型選擇及網(wǎng)格的質(zhì)量指標(biāo)作了簡(jiǎn)單說(shuō)明。然后對(duì)天線板滑倒過(guò)程的接觸與碰撞問(wèn)題進(jìn)行非線性問(wèn)題分析。

天線板；碰撞模型；有限元

1 天線板有限元模型

1.1 框架有限元網(wǎng)格的劃分

出于對(duì)模型劃分網(wǎng)格的整體考慮，因?yàn)榭蚣苁翘炀€結(jié)構(gòu)的一個(gè)基礎(chǔ)，所以需要對(duì)其網(wǎng)格先進(jìn)行劃分。又因?yàn)槠鋷缀涡螤罹鶠橐?guī)則四邊形，因此所用的單元類型四邊形，單元邊長(zhǎng)均取為10mm。劃分后的模型圖如圖1和圖2所示。

圖1 框架局部圖

圖2 劃分完網(wǎng)格后的框架

1.2 電氣板有限元網(wǎng)格的劃分

實(shí)際的電氣板是由10個(gè)小板構(gòu)成的，而每個(gè)小板又是由碳纖維夾芯板和印制板構(gòu)成，而且電氣板上還有一些其它的電子元件，但這些電子元件不在本課題的研究范圍內(nèi)，所以在劃網(wǎng)格時(shí)予以忽略。

1.3 有源安裝板的網(wǎng)格劃分

由于有源安裝板上有許多規(guī)則的矩形塊，而各塊的大小卻并不是完全一樣的，如果真接劃分，生成的網(wǎng)格質(zhì)量將會(huì)很差，會(huì)存在許多畸形的網(wǎng)格，即使經(jīng)過(guò)多次手動(dòng)調(diào)整，其網(wǎng)格質(zhì)量也難以達(dá)到很好的效果。因此，在劃分安裝板的有限元網(wǎng)格前，先把安裝板的整面劃分為許多小矩形塊，然后再對(duì)這此小矩形塊進(jìn)行劃分網(wǎng)格，這樣所得的網(wǎng)格質(zhì)量將會(huì)很好。

1.4 天線板整體的有限元模型

為有源安裝板和電氣板都是裝配在天線框架上，且連接孔的數(shù)目很多，考慮在各板和框架的剛性較好的前提下，本文研究時(shí)采用將裝配關(guān)系簡(jiǎn)化為相應(yīng)裝配中心直接采用殼單元來(lái)連接。最終獲得的天線板有限元模型的裝配圖如圖2、圖3所示。

圖2 天線板有限元模型的局部圖

圖3 天線板有限元模型的整體圖

1.5 模型的檢查

本研究中將天線板的網(wǎng)格單元控制在20mm左右，網(wǎng)格劃分完后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)；各個(gè)零部件的位置關(guān)系和尺寸關(guān)系都正確，沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)亂；節(jié)點(diǎn)數(shù)在28 000個(gè)左右，單元數(shù)量在29 000個(gè)左右，皆為四邊形的殼單元。單元中，雅可比（jacobi）最低值為0.79；外觀比（aspect ratio）最大值為1.95；翹曲度（warpage）最大值為8.99，只有12個(gè)單元大于5；偏斜度（skew）最大值為30.65；內(nèi)角（angle）在45°～135°范圍之外的只有180個(gè)單元。就整體而言，不合格的單元所占的比例很小，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到了很高的要求。所以從模型離散化的角度而言，已經(jīng)能保證最后的計(jì)算結(jié)果有較高的準(zhǔn)確度。

2 天線板碰撞與接觸建模

天線板滑倒過(guò)程的接觸與碰撞問(wèn)題屬于非線性問(wèn)題的范疇，本文采用ABAQUS軟件來(lái)對(duì)該非線性問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.1 天線板模型的轉(zhuǎn)化

在Hypermesh中建立的有限元模型并不能直接用于ABAQUS求解器，而是需要先轉(zhuǎn)換為ABAQUS求解器需要的*.inp文件。所以，我們要把在前一節(jié)中建立的天線板有限元模型以*.inp文件的格式輸出，然后在ABAQUS中打開(kāi)該*.inp格式的文件。

2.2 天線板碰撞與接觸建模

在ABAQUS中打開(kāi)天線板有限元模型的*.inp格式的文件后，接下來(lái)就要設(shè)置分析步、定義接觸、定義載荷和邊界條件。

2.2.1 設(shè)置分析步

天線板滑倒過(guò)程的接觸與碰撞是一種高度的非線性問(wèn)題，故選擇ABAQUS/Explicit求解器進(jìn)行求解。又根據(jù)課題的內(nèi)容，知道天線板開(kāi)始時(shí)是靠在調(diào)試平臺(tái)上的，初步估計(jì)其滑倒過(guò)程所需要的總時(shí)間為5s，故設(shè)置分析步總時(shí)間為5s。

在分析步中還需要設(shè)置變量輸出結(jié)果，以便獲得所需的信息。在該課題中，我們主要是分析天線板滑倒過(guò)程的剛度和強(qiáng)度，故只設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變輸出。

2.2.2 定義接觸

天線板在滑倒過(guò)程中，電氣板、框架都會(huì)跟調(diào)試平臺(tái)接觸，當(dāng)其滑到地面時(shí)，還會(huì)跟人造革地面接觸，而這些接觸關(guān)系都應(yīng)該予以定義，最終我們定義了電氣板與調(diào)試平臺(tái)、電氣板與人造革地面、框架與調(diào)試平臺(tái)、框架與人造革地面這四對(duì)接觸對(duì)。又由課題提供的資料，知道接觸面間的摩擦系數(shù)在0.1左右，在此我們選擇摩擦系數(shù)為0.1。

2.2.3 定義載荷和邊界條件

天線板滑倒過(guò)程中主要受到重力作用，對(duì)于其它次要的載荷我們予以忽略，所以我們只定義一個(gè)重力載荷，取重力加速度為9.81m/s，方向?yàn)樨Q直向下。對(duì)于邊界條件，主要是約束調(diào)試平臺(tái)及人造革地板沿X、Y、Z三個(gè)方向上的平動(dòng)自由度。在具體建立邊界條件時(shí)，對(duì)于調(diào)試平臺(tái)，我們選擇遠(yuǎn)離天線板的一側(cè)來(lái)施加約束X、Y、Z三個(gè)方向平動(dòng)自由度的條件；對(duì)于人造革地板，我們選擇其所有的節(jié)點(diǎn)來(lái)約束其在豎直方向（此處為沿Y軸方向）的自由度，同時(shí)選擇其邊沿節(jié)點(diǎn)來(lái)施加約束X、Z兩個(gè)方向上的平動(dòng)自由度的條件；對(duì)于天線板，它只受到人造革地板和桌子的支承，而這些邊界條件已由接觸條件代替，故在此不需再對(duì)天線板施加邊界條件。

[1]王睿.相控陣?yán)走_(dá)天線的有限元分析[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2005，2：50-52.

[2]任開(kāi)鋒,李鳳英,宋志行,朱志遠(yuǎn).某機(jī)載雷達(dá)相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2010，2：43-46.

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1674-6708（2011）50-0111-02