相控阵天线板有限元模型的建立与碰撞建模分析

叶 彬，常 立

山东丝绸纺织职业学院，山东淄博 255300

相控阵天线板有限元模型的建立与碰撞建模分析

叶 彬，常 立

山东丝绸纺织职业学院，山东淄博 255300

首先建立了天线板有限元网格模型，其中对有限元的模型假设、单元类型选择及网格的质量指标作了简单说明。然后对天线板滑倒过程的接触与碰撞问题进行非线性问题分析。

天线板；碰撞模型；有限元

1 天线板有限元模型

1.1 框架有限元网格的划分

出于对模型划分网格的整体考虑，因为框架是天线结构的一个基础，所以需要对其网格先进行划分。又因为其几何形状均为规则四边形，因此所用的单元类型四边形，单元边长均取为10mm。划分后的模型图如图1和图2所示。

图1 框架局部图

图2 划分完网格后的框架

1.2 电气板有限元网格的划分

实际的电气板是由10个小板构成的，而每个小板又是由碳纤维夹芯板和印制板构成，而且电气板上还有一些其它的电子元件，但这些电子元件不在本课题的研究范围内，所以在划网格时予以忽略。

1.3 有源安装板的网格划分

由于有源安装板上有许多规则的矩形块，而各块的大小却并不是完全一样的，如果真接划分，生成的网格质量将会很差，会存在许多畸形的网格，即使经过多次手动调整，其网格质量也难以达到很好的效果。因此，在划分安装板的有限元网格前，先把安装板的整面划分为许多小矩形块，然后再对这此小矩形块进行划分网格，这样所得的网格质量将会很好。

1.4 天线板整体的有限元模型

为有源安装板和电气板都是装配在天线框架上，且连接孔的数目很多，考虑在各板和框架的刚性较好的前提下，本文研究时采用将装配关系简化为相应装配中心直接采用壳单元来连接。最终获得的天线板有限元模型的装配图如图2、图3所示。

图2 天线板有限元模型的局部图

图3 天线板有限元模型的整体图

1.5 模型的检查

本研究中将天线板的网格单元控制在20mm左右，网格划分完后，经检查发现；各个零部件的位置关系和尺寸关系都正确，没有发生错乱；节点数在28 000个左右，单元数量在29 000个左右，皆为四边形的壳单元。单元中，雅可比（jacobi）最低值为0.79；外观比（aspect ratio）最大值为1.95；翘曲度（warpage）最大值为8.99，只有12个单元大于5；偏斜度（skew）最大值为30.65；内角（angle）在45°～135°范围之外的只有180个单元。就整体而言，不合格的单元所占的比例很小，网格质量达到了很高的要求。所以从模型离散化的角度而言，已经能保证最后的计算结果有较高的准确度。

2 天线板碰撞与接触建模

天线板滑倒过程的接触与碰撞问题属于非线性问题的范畴，本文采用ABAQUS软件来对该非线性问题进行分析。

2.1 天线板模型的转化

在Hypermesh中建立的有限元模型并不能直接用于ABAQUS求解器，而是需要先转换为ABAQUS求解器需要的*.inp文件。所以，我们要把在前一节中建立的天线板有限元模型以*.inp文件的格式输出，然后在ABAQUS中打开该*.inp格式的文件。

2.2 天线板碰撞与接触建模

在ABAQUS中打开天线板有限元模型的*.inp格式的文件后，接下来就要设置分析步、定义接触、定义载荷和边界条件。

2.2.1 设置分析步

天线板滑倒过程的接触与碰撞是一种高度的非线性问题，故选择ABAQUS/Explicit求解器进行求解。又根据课题的内容，知道天线板开始时是靠在调试平台上的，初步估计其滑倒过程所需要的总时间为5s，故设置分析步总时间为5s。

在分析步中还需要设置变量输出结果，以便获得所需的信息。在该课题中，我们主要是分析天线板滑倒过程的刚度和强度，故只设置应力应变输出。

2.2.2 定义接触

天线板在滑倒过程中，电气板、框架都会跟调试平台接触，当其滑到地面时，还会跟人造革地面接触，而这些接触关系都应该予以定义，最终我们定义了电气板与调试平台、电气板与人造革地面、框架与调试平台、框架与人造革地面这四对接触对。又由课题提供的资料，知道接触面间的摩擦系数在0.1左右，在此我们选择摩擦系数为0.1。

2.2.3 定义载荷和边界条件

天线板滑倒过程中主要受到重力作用，对于其它次要的载荷我们予以忽略，所以我们只定义一个重力载荷，取重力加速度为9.81m/s，方向为竖直向下。对于边界条件，主要是约束调试平台及人造革地板沿X、Y、Z三个方向上的平动自由度。在具体建立边界条件时，对于调试平台，我们选择远离天线板的一侧来施加约束X、Y、Z三个方向平动自由度的条件；对于人造革地板，我们选择其所有的节点来约束其在竖直方向（此处为沿Y轴方向）的自由度，同时选择其边沿节点来施加约束X、Z两个方向上的平动自由度的条件；对于天线板，它只受到人造革地板和桌子的支承，而这些边界条件已由接触条件代替，故在此不需再对天线板施加边界条件。

[1]王睿.相控阵雷达天线的有限元分析[J].雷达与对抗，2005，2：50-52.

[2]任开锋,李凤英,宋志行,朱志远.某机载雷达相控阵天线结构设计[J].电子机械工程，2010，2：43-46.

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1674-6708（2011）50-0111-02