SRAM材料及其结构的隐身特性计算与优化设计
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摘要
结构型吸波复合材料(SRAM)是现代飞行器隐身设计技术的重要应用手段，具有承载和减小雷达散射截面积的双重功能。本文应用电磁场有限元数值计算及优化设计方法，对结构型吸波材料的隐身特性及其结构优化设计方法进行了计算分析与研究探讨，并给出了典型实例分析。
本文在分析研究结构型吸波材料的种类和结构型式设计的基础上，探讨了其隐身设计的可能途径以及可行的数值计算与优化设计方法；利用二阶线性偏微分方程边值问题的有限元数值计算方法联合吸收边界条件对结构型吸波复合材料二维目标雷达散射截面进行了理论算法组织和计算程序设计，并用典型算例与矩量法解进行了结果比较，验证了本文算法程序设计的正确性。在数值计算及程序设计工作基础上，探讨了结构吸波材料的参数优化设计概念，并结合序列二次规划法(SQP)进行了优化算法与程序设计研究，计算了给定SRAM形式和特定的频率范围内的设计优化实例，获得了可资工程应用借鉴的结果：关于吸波复合材料结构型式的设计与应用，本文分别对二维层合板结构型式和波纹板结构型式进行了初步分析设计探讨，获得了有一定工程参考价值的结论。
The structural radar absorption materials (SRAM) of composites, with the dual functions of high mechanic properties and reducing radar cross-section (RCS), are the key means of stealth technique implementation for modern aircrafts. By use of electromagnetic finite element method and optimization design technique, this thesis conducts the research work of SRAM stealth performances computation and theoretical optimization analysis of electromagnetic parameters, and also some typical cases are studied.
On the base of analyzing SRAM classifications and structural models, possible stealth design approaches, feasible numerical calculations and detailed optimization design techniques are explored in the thesis, meanwhile, the algorithmic procedures and programs of 2-D target RCS are designed and worked out by virtue of the finite element method (FEM) for the boundary problem of second-order linear partial differential equations combined with absorbing boundary conditions (ABC). The numerical results worked in the thesis are so agreed with the solutions of moment method (MM), which indirectly shows the program correctness and applicability. Underlying on these fundamental researches, the optimization design concepts of SRAM are investigated and the parametric optimization algorithmic codes under sequential quadratic programming (SQP) are designed. Some optimal results valuable for engineering design are achieved to the specific SRAM at designated electromagnetic frequencies. With regards of SRAM structural models design, the thesis preliminarily analyzes 2-D layered and rippled SRAM structures possessed of certain referential value for engineering.
本文在分析研究结构型吸波材料的种类和结构型式设计的基础上，探讨了其隐身设计的可能途径以及可行的数值计算与优化设计方法；利用二阶线性偏微分方程边值问题的有限元数值计算方法联合吸收边界条件对结构型吸波复合材料二维目标雷达散射截面进行了理论算法组织和计算程序设计，并用典型算例与矩量法解进行了结果比较，验证了本文算法程序设计的正确性。在数值计算及程序设计工作基础上，探讨了结构吸波材料的参数优化设计概念，并结合序列二次规划法(SQP)进行了优化算法与程序设计研究，计算了给定SRAM形式和特定的频率范围内的设计优化实例，获得了可资工程应用借鉴的结果：关于吸波复合材料结构型式的设计与应用，本文分别对二维层合板结构型式和波纹板结构型式进行了初步分析设计探讨，获得了有一定工程参考价值的结论。
The structural radar absorption materials (SRAM) of composites, with the dual functions of high mechanic properties and reducing radar cross-section (RCS), are the key means of stealth technique implementation for modern aircrafts. By use of electromagnetic finite element method and optimization design technique, this thesis conducts the research work of SRAM stealth performances computation and theoretical optimization analysis of electromagnetic parameters, and also some typical cases are studied.
On the base of analyzing SRAM classifications and structural models, possible stealth design approaches, feasible numerical calculations and detailed optimization design techniques are explored in the thesis, meanwhile, the algorithmic procedures and programs of 2-D target RCS are designed and worked out by virtue of the finite element method (FEM) for the boundary problem of second-order linear partial differential equations combined with absorbing boundary conditions (ABC). The numerical results worked in the thesis are so agreed with the solutions of moment method (MM), which indirectly shows the program correctness and applicability. Underlying on these fundamental researches, the optimization design concepts of SRAM are investigated and the parametric optimization algorithmic codes under sequential quadratic programming (SQP) are designed. Some optimal results valuable for engineering design are achieved to the specific SRAM at designated electromagnetic frequencies. With regards of SRAM structural models design, the thesis preliminarily analyzes 2-D layered and rippled SRAM structures possessed of certain referential value for engineering.
引文
1．淦元柳，飞机隐身及反隐身技术浅析，光电对抗与无源干扰，1998．4
2．孟欣强，RAM技术在隐身飞行器薄型翼设计中的应用，兵器材料科学与工程，2000．7，Vol．23，No．4
3．王自荣，余大斌，孙晓泉，涂料与隐身技术，中国涂料，1999，No．5
4．周梁，田武，隐身技术的发展趋势，高新技术，2001，No．2
5．张卫东，冯小云，孟秀兰，国外隐身材料研究进展，宇航材料工艺，2000，No．3
6．秦嵘，陈雷，国外新型隐身材料研究动态，宇航材料工艺，1997，No．4
7．郭春艳，结构隐身复合材料技术，航空工艺技术，1998，Vol．17，No．3
8．赵东林，周万诚，结构吸波材料及其结构型式设计，兵器材料科学与工程，1997．11，Vol．20，No．6
9．赵东林，沈曾民，炭纤维结构吸波材料及其结构设计，兵器材料科学与工程，2000．11，Vol．23，No．6
10．严靖峰，徐鹏根，RCS预估中图形电磁学方法的改进，电波科学学报，1998．9，Vol．13，No．3
11．于洋，曾智勇，朱劲松等，复杂目标高频区RCS的实时计算，航空学报，1998．3，Vol．19，No．2
12. Juna M. Rius, M. Ferrando and L. Jofre·GRECO: Graphical Electromagnetic Computing for RCS Prediction in Real Time·IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1993, 35(2): 7-17
13. Juna M. Rius, M. Ferrando and L. Jofre·High-Frequency RCS of Complex radar targets in Real Time·IEEE Trans. Antennas Propagat., 1993, AP-41(9):1308-1310
14. Datta V. Gaitonde & Joseph S. Shang, Jeffrey L. Young·Practical Aspects of High-Order Accurate Finite-Volume Schemes for Electromagnetics·AIAA, 1997
15．周敏，杨觉明，周建军，吸波材料研究进展，西安工业学院学报，Vol．20，No．4
16．冯恩信编著，电磁场与波，西安交通大学出版社，1999．9
17．金建铭(美)著，王建国译，电磁场有限元方法，西安电子科技大学出版社，1998．1
18. A. F. Peterson, Absorbing boundary conditions for the vector wave equation,Microwave Opt. Tech. Lett., Vol. 1, pp. 62-64, Apr. 1988
19．张良莹，姚熹编著，电解质物理，西安交通大学出版社，1991．6
20．裘镜蓉，宇航材料工艺，1989，4：114
21．王建华，磁性材料及器件，1993，24(1)：15
22．莫美芳，国外结构隐身材料的研制和发展概况，材料工程，1994，Vol．138，No．5
23. Bill Sweetwan, International Defence Review, 1986, 11:1636
24．徐海江，宇航材料工艺，1986，2：57
25. Guerin F., Progress in Electromagnetics Research PIER, 1994, 9:219～263
26．刘晓春，雷达吸波材料和吸波结构与飞机隐身技术，航空科学技术，1997，Vol．27，No．3
27．梁兵，结构型吸波材料研究，航空材料学报，1995，Vol．13，No．4
28．阮颖铮等编著，雷达截面与隐身技术，国防工业出版社，1998．6
29. Matlab Programming Guide, The Math Works Inc., 2002
30. Ansys 6.0 Modeling and Meshing Guide, Ansys Inc., 2001
31．蔡宣三，最优化与最优控制，清华大学出版社，1982
32．袁亚湘，孙文瑜著，最优化理论与方法，科学出版社，2001．3
33. Optimization Toolbox User's Guide, The Math Works Inc., 2002
34．曹茂盛等编著，材料现代设计理论与方法，哈尔滨工业大学出版社，2002．4
2．孟欣强，RAM技术在隐身飞行器薄型翼设计中的应用，兵器材料科学与工程，2000．7，Vol．23，No．4
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