一种静电成形薄膜反射面天线薄膜裁剪模板设计方法技术

本发明专利技术提供了一种静电成形薄膜反射面天线薄膜裁剪模板设计方法。本发明专利技术充分考虑了薄膜反射面制作的特点，对膜面与裙边分别进行裁剪模板设计。由于膜面为空间曲面，用平面裁剪片拼接时须使两者误差较小，则对裁剪片进行展平和应力释放，得到平面无状态下的裁剪片，作为膜面裁剪模板，有效地控制了薄膜制作裁剪精度。而裙边薄膜为不规则形状，将其均分相同形状的小裙边，依据几何关系确定其几何形状来作为裙边裁剪模板，同时保证裙边与膜面的连接。本发明专利技术原理可靠、操作简单，提供了一种静电成形薄膜反射面天线薄膜裁剪模板设计方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达天线
，具体提供了一种静电成形薄膜反射面天线薄膜裁 剪模板设计方法，依此裁剪模板可以高效地制作出高精度的薄膜反射面。
技术介绍
静电成形薄膜反射面天线(ECDMA)的工作原理是在镀有金属层的薄膜反射面和控 制电极上施加不同的电压(一般薄膜为等效零势面，电极为高电势），产生静电力对薄膜进 行拉伸，从而使薄膜形成具有一定焦径比的反射面。然而，其成形机理十分复杂，一是薄膜 结构本身具有高度的几何非线性;二是存在着静电场与位移场的相互耦合。为了能够更好 地进行理论的研究，需要进行实物实验对静电成形薄膜反射面天线的理论分析进行验证与 修正，并为后续的研究提供一定的参考。2004年SRS Technologies公司和Northrop Grumman合作，才研制出了真正意义上的静电成形薄膜反射面可展开天线5m口径样机，而国 内甚少有关于此技术的研究。 薄膜反射面的模型，主要有两部分组成:抛物面状的主反射面和外缘裙边膜片，如 图1所示，图中中心圆为薄膜膜面，反射面边缘为裙边薄膜，在裙边外边缘吻合圆形弧边穿 索，并在裙边角点处通过调节拉索固定，这样薄膜反射面可以具有较高的面形调控能力。然 而，薄膜反射面制作存在着不少的难点。理论中薄膜反射面为旋转抛物曲面，而目前国内仍 不具备制造大面积曲面薄膜的技术，因此常采用平面薄膜裁剪拼接的方法来制作。然而，目 前并没有裁剪模板设计的具体方法，因此需要系统的设计办法来保证模板设计高效准确进 行。从图1中可以看出，裙边薄膜为不规则形状，且尺寸较大，很不利于直接制作加工，因此 可考虑对裙边进行均分成相同形状的小裙边，通过拼接成为整体，同时不影响它的作用。 裙边拉索示意图，如图2所示，其中T为边索内力，ση为裙边膜的内应力，N为裙边数 目，d为裙边膜宽度，d min为裙边外缘与膜面外缘的最短距离，Θ:为裙边对应膜面角度，θ2为裙 边角度，n、r 2分别为反射抛物面半口径和裙边索的曲率半径。 裙边索曲率半径设计要符合一定的几何关系：由以上分析可知，可以依据几何关系来确定裙边的几何形状，以此作为裙边裁剪 模板设计的准则。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种静电成形薄膜反射面 天线薄膜裁剪模板设计方法，能够依照本方法合理地进行薄膜反射面裁剪模板的设计制 作，从而高效地制作出具有高精度的薄膜反射面。 本专利技术的技术方案是:，包 括如下步骤： 步骤101:选择薄膜反射面分片数目，将薄膜反射面的径向线作为裁剪线； 步骤102:由几何形状建立薄膜反射面单个裁剪片模型，将其离散为若干个三角形 膜单元，将单元拓扑关系和节点坐标保存； 步骤103:将裁剪片展平，得到张紧状态的裁剪片的展平坐标，并保存结果； 步骤104:依据裁剪片的展平结果，释放裁剪片的应力，得到无应力状态的裁剪片 的展平坐标，并保存结果； 步骤105:选择裁剪片在径向向外延伸的距离，对由步骤104得到的无应力状态的 裁剪片进行延伸，此延伸后的裁剪片即可作为膜面裁剪模板，保存延伸后的裁剪片的周边 节点坐标； 步骤106:设计裙边裁剪膜板； 步骤107:绘制膜面裁剪模板和裙边裁剪模板图，选择模板厚度，进行模板制作加 工。 上述的步骤103包括如下步骤：[00211 步骤201:读取步骤102得到的单元拓扑关系和节点坐标；步骤202:选取投影平面为展开平面，投影坐标作为展开坐标初值；步骤203:按顺序计算三角形单元的三条边空间和平面长度及其差值{δ};步骤204:根据下式求解三角形单元的转换矩阵Β:，_.α、β、γ表示平面三角形单元的三个内 角，li、12、13表示平面三角形单元三条边的长度； 步骤205:根据下式构建本构矩阵D其中，E为弹性模量，v为泊松比； 步骤206:根据下式求得单元各边的内力向量其中：V为单元的体积；步骤207:根据下式求解三角形单元的节点载荷矩阵其中，P%三角单元的节点载荷矩阵，11^2^3,71，72,73分别表示平面三角形单元 的三个节点的平面坐标； 步骤208:根据下式组集求解在平面膜结构的节点载荷矩阵P Ρ= ΣΡΘ 其中，Σ表示组集运算；步骤209:根据下式求解三角形单元整体坐标系下的刚度矩阵其中，e表示为三角形单元的刚度矩阵，Kn，Κ^....等都是2 X 2的子矩阵，即式中，E，v，t, △依次表示单元ijm的弹性模量、泊松比、厚度和三角形单元的面积， 步骤210:根据下式组集求解在平面膜结构的刚度矩阵K Κ= Σ e 步骤211:对展开平面中心顶点施加固定约束； 步骤212:根据下式计算平面展平坐标的变化量以及新的展开平面坐标 其中，Xi+i表示更新后的平面展开坐标，Xi表示更新前的平面展开坐标，Δ u表示坐 标变化量； 步骤213:求解空间三角形和平面的三角形对应的边长的差值0} = ^: δ2 δ3}，以 此差值，求得节点载荷矩阵Ρ; 步骤214:判断收敛准则，若节点载荷矩阵Ρ小于指定的控制精度ε，继续进行;若节 点载荷矩阵Ρ大于指定的控制精度ε，转到步骤204; 上述的步骤104包括如下步骤：步骤301:根据下式将膜面预应力转化为三角形单元的等效节点载荷其中，〇〇为膜面预应力，11^2^3,71，72,73分别表示三角形单元的三个节点的平面 坐标； 步骤302:根据下式组集求解在平面膜结构的节点载荷矩阵Ρ Ρ= ΣΡΘ 步骤303:根据下式求解平面结构的有限元方程进行薄膜应力释放，更新平面坐标 和薄膜应力：其中，Au表示应力释放时平面坐标变化量，△ σ为应力释放时薄膜应力变化量； 步骤304:判断收敛准则，若节点载荷矩阵矩阵Ρ小于指定的控制精度ε，继续进行； 若节点载荷矩阵Ρ大于指定的控制精度ε，转到步骤303; 步骤305:计算展平前曲面和应力释放后平面的面积和长度，并分别以相对误差的 形式表示。 上述的步骤106包括如下步骤：步骤401:选定裙边膜宽度d和裙边数目Ν;步骤402:令裙边外缘与膜面外缘的最短距离等于裁剪片在径向向外延伸的距离， 即dmin = D，根据下式求解裙边角度和半径其中，Θ:为裙边对应膜面角度，θ2为裙边角度，d_为裙边外缘与膜面外当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电成形薄膜反射面天线薄膜裁剪模板设计方法，其特征是：包括如下步骤：步骤101：选择薄膜反射面分片数目，将薄膜反射面的径向线作为裁剪线；步骤102：由几何形状建立薄膜反射面单个裁剪片模型，将其离散为若干个三角形膜单元，将单元拓扑关系和节点坐标保存；步骤103：将裁剪片展平，得到张紧状态的裁剪片的展平坐标，并保存结果；步骤104：依据裁剪片的展平结果，释放裁剪片的应力，得到无应力状态的裁剪片的展平坐标，并保存结果；步骤105：选择裁剪片在径向向外延伸的距离，对由步骤104得到的无应力状态的裁剪片进行延伸，此延伸后的裁剪片即可作为膜面裁剪模板，保存延伸后的裁剪片的周边节点坐标；步骤106：设计裙边裁剪膜板；步骤107：绘制膜面裁剪模板和裙边裁剪模板图，选择模板厚度,进行模板制作加工。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦东宾，杜敬利，谷永振，姜文明，李军，张逸群，刁玖胜，张超，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61