星載天線動(dòng)力學(xué)仿真分析

李虎 張峰

摘 要：星載天線升空過程是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程，合理的有限元模型建立是獲得該過程中應(yīng)力響應(yīng)、加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)等信息的關(guān)鍵。該文基于通用有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立某星載天線的三維有限元模型，分析其升空狀態(tài)下的應(yīng)力響應(yīng)、加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)，為星載天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ABAQUS 星載天線 動(dòng)力學(xué)分析 有限元

中圖分類號(hào)：V443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（b）-0056-02

星載天線被廣泛應(yīng)用于無線電通訊、空間科學(xué)、對(duì)地觀測(cè)等領(lǐng)域。由于這些領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)星載天線結(jié)構(gòu)的尺寸和性能要求越來越高[1]。天線體附著在衛(wèi)星外表面，經(jīng)歷著與衛(wèi)星同樣的過程。在火箭加速上升過程可引起衛(wèi)星的振動(dòng)、沖擊載荷等。因此，為提高星載天線的精度和使用壽命，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究十分必要。

星載天線升空過程是一個(gè)多因素作用下，集幾何、材料、邊界條件的三重非線性為一體的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，單純采用理論解析方法難以準(zhǔn)確、有把握地解決實(shí)際問題；采用試驗(yàn)手段不具普適性，難以對(duì)問題給予普遍性的解答和規(guī)律性的指導(dǎo)。

該文基于有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立某星載天線的三維有限元模型，分析其升空狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為星載天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立及關(guān)鍵技術(shù)處理

1.1 有限元模型的建立

該天線是一副十字交叉偶極天線，主要由振子、反射器、絕緣支撐、天線支撐桿等組成。天線輪廓尺寸為0.5 m×0.5 m×0.36 m。絕緣支撐采用材料凱夫拉，其具有低的線膨脹系數(shù)、良好的電磁波透過性能、抗沖擊性能。振子、反射器、天線支撐桿均選用鋁合金，這樣既可保證強(qiáng)度，又能滿足天線體質(zhì)量要求。

星載天線升空過程是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程。因而建立合理的有限元模型是實(shí)現(xiàn)星載天線動(dòng)力學(xué)分析的前提。該文基于有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立了星載天線的有限元模型，如圖1所示。

有限元模型各部件間，根據(jù)它們之間的連接關(guān)系，采用相應(yīng)的連接單元，把各零件組合成為與實(shí)際裝配關(guān)系相近的裝配模型。對(duì)于面（線）—面（線）的固定鏈接，采用綁定（TIE）方式處理。為了使計(jì)算模型與真實(shí)模型的質(zhì)量相當(dāng)，需要對(duì)模型進(jìn)行配重。根據(jù)電纜等元器件的實(shí)際質(zhì)量計(jì)算出密度縮放因數(shù)加在對(duì)應(yīng)的材料密度上。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)處理

1.2.1 單元的選擇與網(wǎng)格劃分

根據(jù)星載天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合分析內(nèi)容，并考慮計(jì)算效率與計(jì)算精度，模型采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。線性單元比二次單元對(duì)網(wǎng)格扭曲的敏感性低，對(duì)于動(dòng)力學(xué)分析這種復(fù)雜的力學(xué)問題采用線性單元比較合適。因此，對(duì)于天線的主體部分采用六面體八節(jié)點(diǎn)的線性實(shí)體減縮積分單元C3D8R進(jìn)行離散，此單元具有抗沙漏效應(yīng)，抗畸變能力強(qiáng)，并能高效、穩(wěn)定地進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)計(jì)算[3]。

1.2.2 動(dòng)態(tài)加載和接觸邊界

天線所受的動(dòng)載荷主要是受到在發(fā)射階段衛(wèi)星和運(yùn)載火箭聯(lián)合的動(dòng)力載荷。主要進(jìn)行正弦振動(dòng)頻率響應(yīng)載荷分析。通過ABAQUS軟件的Response spectrum（譜相應(yīng)）模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到3個(gè)方向下的峰值響應(yīng)。天線底座處以BASE MOTION的形式將正弦振動(dòng)激勵(lì)加載在天線上。

ABAQUS中有動(dòng)力學(xué)接觸，動(dòng)力學(xué)接觸是修正的接觸算法，嚴(yán)格執(zhí)行接觸約束，能很好地應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。接觸面間采用剪切摩擦模型，有限滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)則。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

在ABAQUS軟件的Abaqus/CAE Version模塊下進(jìn)行前處理，最后在ABAQUS軟件的相應(yīng)模塊下進(jìn)行力學(xué)仿真計(jì)算。

2.1 天線結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在ABAQUS軟件的Frequency模塊下對(duì)天線進(jìn)行模態(tài)分析，確定天線的固有頻率，在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將天線的底座全約束。表1中列出天線的前10階模態(tài)的固有頻率。天線的第一階頻率為166.76 Hz，此階模態(tài)主要由天線支撐桿參與振動(dòng)，并帶動(dòng)振子和絕緣支撐擺動(dòng)，振型為沿X和Z軸方向的擺動(dòng)，X軸方向的擺動(dòng)大，參與有效質(zhì)量較大，達(dá)到43.32%。第二階頻率為166.78 Hz，和一階頻率較接近，振型也與一階頻率類似，區(qū)別在于沿Z軸方向的擺動(dòng)大，參與有效質(zhì)量較大。第三階和第四階頻率分別為253.13 Hz和258.57 Hz，此兩階模態(tài)的頻率、振型和參與有效質(zhì)量都接近，此兩階模態(tài)主要由天線反射器參與振動(dòng)，振型為沿X和Z軸方向的擺動(dòng)，反射器重量較輕，參與的有效質(zhì)量也較小。

2.2 天線結(jié)構(gòu)正弦振動(dòng)分析

通過ABAQUS軟件的Response spectrum（譜相應(yīng)）模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到3個(gè)方向下的峰值響應(yīng)。天線體是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，X和Z方向的響應(yīng)結(jié)果是一樣的。天線底座處以BASE MOTION的形式將正弦振動(dòng)激勵(lì)加載在天線上，施加的位移、加速度值見表2，每一階模態(tài)加5%臨界阻尼。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）該文基于通用有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立某星載天線的三維有限元模型。（2）通過ABAQUS軟件的Frequency模塊對(duì)天線進(jìn)行模態(tài)分析，提取了天線的固有頻率，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，吻合良好。（3）通過ABAQUS軟件的Response spectrum模塊進(jìn)行正弦振動(dòng)仿真分析，為星載天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 詹梅，馬明娟，楊合，等.旋輪參數(shù)對(duì)異型薄壁殼體強(qiáng)力旋壓成形的影響[J].鍛壓技術(shù)，2006（5）：144-147.

[3] 石亦平.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.