雷达阵列天线的结构设计与分析
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摘要
作为天线主体之一的天线结构,对保证天线整体的电性能发挥着极其重要的作用。本文主要对雷达天线结构设计、有限元动静态分析以及试验验证、结构优化等方面的内容进行了研究。主要工作如下:
1、介绍了天线结构设计的相关基础理论,总结了常见雷达天线的结构形式,对天线结构设计准则和天线结构设计方法及手段都进行了较为全面的阐述。
2、对雷达阵列天线进行了结构设计,给出了天线结构主要外载—风载荷的计算方法。根据天线结构的构成特点、工作方式和技术参数、载荷特征,合理地建立了天线结构的有限元模型,并制定了计算工况。
3、应用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran完成了对该雷达天线结构的静力分析和模态分析及瞬态响应分析,得出天线在各种工况下的变形及应力结果,验证天线结构的刚度和强度满足设计要求。
4、根据初步分析结果,对天线结构中一部分梁单元截面参数进行了优化优选设计。对优化后的天线结构在阵面水平工作工况时的结构位移进行了试验测量,并与该工况下有限元数值模拟分析结果进行了对比分析,试验结果与有限元数值模拟分析结果吻合良好。
本文的研究方法对类似的大型雷达天线的结构设计、分析及制造都具有一定的参考意义。
Antenna structure, as a main body of antenna, plays a very important role on ensuring the whole antenna electrical performance. In this thesis, the antenna structure design of radar, static and dynamic finite element analysis, antenna structure optimization are researched. The main work and achievements are summarized as follows:
1、The basic theory of antenna structure design is introduced and several kinds of antenna structure of radar in common use are summarized. The guidelines and methods in antenna structure design are also explained.
2、One kind of radar array antenna structure is designed. The calculation method of the main external load (wind load) is presented. According to the characteristic of the structure, working type, technical parameters and the load characteristics, a finite element analysis model is established. Besides, some load cases for calculation are given.
3、With MSC.Patran/Nastran, the static response, mode and transient response of the antenna structure are analyzed. The deformation and stress are obtained in all kinds of load cases. The result shows that the stiffness and intensity satisfy the design requirements.
4、According to the analysis result, some cross-section parameters of some beam elements of the antenna structure are optimized. The deformation of optimized structure is measured when the antenna is horizontally placed, which shows good agreement with the results of the finite element method in such load case.
The research methods in this thesis are helpful for design, analysis and manufacture of similar large-scale radar antenna structure.
1、介绍了天线结构设计的相关基础理论,总结了常见雷达天线的结构形式,对天线结构设计准则和天线结构设计方法及手段都进行了较为全面的阐述。
2、对雷达阵列天线进行了结构设计,给出了天线结构主要外载—风载荷的计算方法。根据天线结构的构成特点、工作方式和技术参数、载荷特征,合理地建立了天线结构的有限元模型,并制定了计算工况。
3、应用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran完成了对该雷达天线结构的静力分析和模态分析及瞬态响应分析,得出天线在各种工况下的变形及应力结果,验证天线结构的刚度和强度满足设计要求。
4、根据初步分析结果,对天线结构中一部分梁单元截面参数进行了优化优选设计。对优化后的天线结构在阵面水平工作工况时的结构位移进行了试验测量,并与该工况下有限元数值模拟分析结果进行了对比分析,试验结果与有限元数值模拟分析结果吻合良好。
本文的研究方法对类似的大型雷达天线的结构设计、分析及制造都具有一定的参考意义。
Antenna structure, as a main body of antenna, plays a very important role on ensuring the whole antenna electrical performance. In this thesis, the antenna structure design of radar, static and dynamic finite element analysis, antenna structure optimization are researched. The main work and achievements are summarized as follows:
1、The basic theory of antenna structure design is introduced and several kinds of antenna structure of radar in common use are summarized. The guidelines and methods in antenna structure design are also explained.
2、One kind of radar array antenna structure is designed. The calculation method of the main external load (wind load) is presented. According to the characteristic of the structure, working type, technical parameters and the load characteristics, a finite element analysis model is established. Besides, some load cases for calculation are given.
3、With MSC.Patran/Nastran, the static response, mode and transient response of the antenna structure are analyzed. The deformation and stress are obtained in all kinds of load cases. The result shows that the stiffness and intensity satisfy the design requirements.
4、According to the analysis result, some cross-section parameters of some beam elements of the antenna structure are optimized. The deformation of optimized structure is measured when the antenna is horizontally placed, which shows good agreement with the results of the finite element method in such load case.
The research methods in this thesis are helpful for design, analysis and manufacture of similar large-scale radar antenna structure.
引文
[1]张润逵.雷达结构与工艺[M].北京:电子工业出版社,2007
[2]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安电子科技大学出版社.1997
[3]叶元烈.机械现代设计方法学[M]北京:中国什量出版社,2000
[4]赵松年,伶杰新,卢秀春.现代设计方法[M]北京:机械工业出版社,1996
[5]孙靖民,王新荣.现代机械设计方法选讲[M]哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1992
[6]黄纯颖.设计方法学[M]北京:机械工业出版社,1999
[7]孙家广.计算机辅助设计技术基础[M]北京:清华大学出版社,2000
[8]赵经文,王宏钰.结构有限元分析[M]北京:科学出版社,2001.
[9]刘国玺,苏广平.基于MSC软件的11米天线结构分析.电子机械工程.2006.Vol.22 No.5
[10]段宝岩.天线结构分析、优化与测量[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998.
[11]郭海鹰,郑元鹏.大型通用有限元分析软件ANSYS在天线结构力学分析中的应用.Radio Communications Technology.1998,24(6):24-25
[12]徐东海.大型机载雷达天线结构分析.电子机械工程.2003,19(3):25-27
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[14]裴立军.现代优化计算方法综述.科学研究与实践[J].2007,(2):81-84
[15]Y X Gu et al.Proceading of the first China-Japan-Korea joint symposium on optimization of structural and me-chanical systems(CJK-OSM1)[C].西安:西安电子科技大学出版社,1999.10
[16]J.Cea著,胡毓达等译.最优化理论与算法[M].北京:高等教育出版社,1982
[17]Wilde D J,Beightler C S.优选法基础[M].北京:科学出版社,1978
[18]Gallagher R H,Zienkiewicz O C.Optimum structural design,theory and application[M].J.W.&Sons Ltd,1973
[19]Himmelblau D M.Applied nonlinear program-ming[M].McGraw-Hill Book Company,1972中译本:张义等译.实用非线性规划[M].北京:科学出版社,1981
[20]Richard L Fox.Optimization methods for engineering design[M].Addison Wesley Publishing Company,1971
[21]Haug E J,Arora J S.Applied optimal design[M].John wiley and sons,1979
[22]卢险峰.最优化方法应用基础[M].上海:同济大学出版社,2003
[23]何献忠.优化技术及其应用[M].北京:北京理工大出版社,1995
[24]周智慧.立体停车库刚架结构CAE分析及其优化设计[D].苏州大学,2005
[25]秦东晨等.机械结构优化设计的综述与展望[J].北京:中国科技信息,2005(9):90-91
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[27]石金彦,张丽敏.复杂电子设备实体结构优化设计技术研究[J].南京:电子机械工程,2008(3):17-20
[28]陈庆.几何大变形桁架结构离散变量优化设计[D].同济大学,2008
[29]闫飞,陈磊.离散变量结构优化设计的现状与发展及展望[J].太原:山西建筑,2007(7):101-103
[30]成都电讯工程学院406室.15米抛物面天线主力骨架结构优化[R].毫米波射电望远镜方案论证资料[Z],1976
[31]曾余耕.天线结构设计中的最优化问题[R].第二次全国优化会议资料[Z],1981
[32]史可信.雷达天线的刚性优化设计[J].兵工学报,1982(3):47-62
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[34]叶尚辉.修正曲面天线的保型优化设计.西北电讯工程学学院学报,1981(1):1-9
[35]陈树勋,叶尚辉.天线结构的严格保型优化设计[J].固体力学学报,1986,7(3)
[36]王生洪.具有频率约束的结构最轻重量设计[J].固体力学学报,1982,3(2):165-175
[37]叶尚辉,陈树勋.天线结构优化设计的导重准则法[J].西北电讯工程学院学报,1982,(1):11-28
[38]段宝岩.考虑翘曲时任意截面梁的优化设计[J].应用力学学报,1997,14(2):79-88
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[40]段宝岩,叶尚辉.赋形波束天线结构拓扑的形状优化[J].电子机械工程,1989,(3):37-42
[41]段宝岩.连续体形状优化设计中的几何表示及其敏度分析研究[J].西安电子科技大学学报,1991,18(4):85-96
[42]段宝岩,徐国华.天线结构拓扑优化设计[J].电子学报,1992,20(3):27-34
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[47]王之宏.风载荷的模拟研究.建筑结构学报,1994,15(1).
[48]张增太.风载荷在雷达天线结构设计中的考虑.现代电子.1997.No.4
[49]刘兵山,黄聪.Patran从入门到精通[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
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