空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法，具体步骤包括：(1)输入天线几何参数、材料参数与电参数；(2)建立天线结构有限元模型；(3)建立天线热有限元模型；(4)设置边界条件；(5)选择轨道；(6)温度场计算；(7)加载温度场载荷；(8)热变形计算；(9)输出热变形位移；(10)计算理想天线远区电场；(11)近似计算天线远区电场变化量；(12)计算天线远区电场；(13)判断电性能是否满足要求；(14)输出天线结构设计方案；(15)更新天线参数。本发明专利技术采用近似计算方法分析温度载荷作用下的空间网状天线电性能，实现天线结构机电集成优化设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达天线
，具体涉及雷达天线领域中的一种空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法。
技术介绍
网状天线由于其质量轻、收拢体积小等优点被逐渐应用于空间天线设计中。网状天线在轨运行过程中，周期性地受到太空辐射热影响，热变形引起的天线表面变形对天线的电性能产生很大影响。热变形带来的天线表面误差将引起天线增益下降、副瓣电平上升、波束倾斜，严重影响天线的工作性能。因此，有必要针对空间网状天线在轨运行受到的温度载荷进行分析，提出温度载荷作用下的天线电性能近似计算方法，进而预测空间天线在轨环境下，太阳辐射与热变形对天线电性能的影响，并进行天线结构机电集成优化设计。段宝岩等在中国专利“大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法”中提出了一种分析大型地基面天线的温度载荷机电耦合分析方法。该方法以地基面天线为对象，进行温度载荷作用下的天线电性能分析；虽然可以为空间网状天线提供借鉴，但无法完全适用于空间网状天线上。洪元、朱敏波等在中国专利“一种星载天线在轨温度的极端工况预测方法”中，公开了一种星载天线在轨温度的极端工况预测方法。该方法以星载天线为对象，预测星载天线处于极端工况的热变形问题；该方法没有考虑到天线热变形对电性能的影响，难以预测天线在温度载荷作用下电性能变化情况。因此，针对空间网状天线在轨受辐射热影响的问题，需要分析在轨温度载荷对天线电性能的影响，提出温度载荷作用下天线电性能近似计算方法，并以此进行天线结构机电集成优化设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法，该方法基于机电热集成分析的概念，采用近似计算方法分析温度载荷作用下的空间网状天线电性能，并进行天线结构机电集成优化设计。本专利技术的技术方案是：空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法，包括如下步骤：(1)输入天线几何参数、材料参数与电参数输入用户提供的空间网状天线的几何参数、材料参数以及电参数；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离；材料参数包括索结构、桁架结构和金属丝网结构的材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比以及比热容、热传导系数、热膨胀系数、表面辐射率、吸收率；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；(2)建立天线结构有限元模型根据用户提供的天线几何参数、材料参数建立天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，桁架结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；(3)建立天线热有限元模型在天线结构有限元模型的基础上，提取天线结构有限元模型中的节点坐标和单元连接关系，根据索结构、桁架结构和金属丝网结构的热参数，分别按照杆单元、梁单元以及壳单元建立天线热有限元模型；(4)设置边界条件根据空间网状天线所处的太空环境，设置热传导和热辐射两种导热方式，根据天线结构各部分之间的关系、各部件之间的辐射吸热、遮挡，添加热有限元模型的边界条件；(5)选择轨道根据空间网状天线所在卫星的轨道高度，设置网状天线的轨道参数；(6)温度场计算根据空间网状天线热有限元模型、边界条件以及轨道参数，进行天线温度场计算；(7)加载温度场载荷将温度场计算结果作为热载荷施加到结构有限元模型上，进行静态的热变形计算；(8)热变形计算在结构有限元模型施加热载荷的基础上，组集有限元刚度矩阵，得到天线结构整体热位移场计算方程，依据此方程进行天线结构热变形计算：[K]{δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入天线几何参数、材料参数与电参数输入用户提供的空间网状天线的几何参数、材料参数以及电参数；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离；材料参数包括索结构、桁架结构和金属丝网结构的材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比以及比热容、热传导系数、热膨胀系数、表面辐射率、吸收率；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；(2)建立天线结构有限元模型根据用户提供的天线几何参数、材料参数建立天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，桁架结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；(3)建立天线热有限元模型在天线结构有限元模型的基础上，提取天线结构有限元模型中的节点坐标和单元连接关系，根据索结构、桁架结构和金属丝网结构的热参数，分别按照杆单元、梁单元以及壳单元建立天线热有限元模型；(4)设置边界条件根据空间网状天线所处的太空环境，设置热传导和热辐射两种导热方式，根据天线结构各部分之间的关系、各部件之间的辐射吸热、遮挡，添加热有限元模型的边界条件；(5)选择轨道根据空间网状天线所在卫星的轨道高度，设置网状天线的轨道参数；(6)温度场计算根据空间网状天线热有限元模型、边界条件以及轨道参数，进行天线温度场计算；(7)加载温度场载荷将温度场计算结果作为热载荷施加到结构有限元模型上，进行静态的热变形计算；(8)热变形计算在结构有限元模型施加热载荷的基础上，组集有限元刚度矩阵，得到天线结构整体热位移场计算方程，依据此方程进行天线结构热变形计算：[K]{δ}＝{FQ}其中，[K]为整体刚度矩阵，{δ}为整体空间热位移列向量，{FQ}为整体节点热载荷列向量；(9)输出热变形位移将天线结构热变形计算得到的整体空间热位移列向量输出到指定文件，以便进行后续电性能计算；(10)计算理想天线远区电场根据天线几何参数中的口径、焦距、偏置高度，电参数中的工作波长、馈源参数、馈源初级方向图，采用物理光学法计算理想天线远区电场；(11)近似计算天线远区电场变化量11a)以建立的结构有限元模型为基础，提取有限元模型中处于电磁波照射下的反射面部分的节点、单元和形函数信息；11b)通过下式计算单元一次系数矩阵：h1e={T→1,1e,T→1,2e,...,T→1,ie},i∈NUM]]>T→1,ie=∫2N→×H→(r→)exp(jkr→·R^)jkQi(cosθs+cosθ)dσe]]>其中，表示单元e的一次系数矩阵，上标e表示从步骤(11a)中提取的结构有限元模型中某一单元，下标i表示位于单元e上的节点编号，表示单元e的一次系数矩阵的第i个分量，符号∈表示从属关系，NUM表示单元e上的节点总数，表示单元e的法向矢量，表示反射面位置矢量处的入射磁场，表示反射面位置矢量，exp表示自然对数的指数运算，j表示虚数单位，k表示自由空间波数，表示远场观察点的单位矢量，Qi表示步骤(11a)中提取的相对于第i个节点的形函数，θs表示位置矢量在馈源坐标系下的俯仰角，下标s表示馈源坐标系，θ表示远场观察点俯仰角，σs表示单元e在口径面内的投影面积；11c)通过下式计算单元二次系数矩阵：h2e={T→2,11e,T→2,12e,...,T→2,uve},u∈NUM,v∈NUM]]>T→2,u,ve=-k22∫2N→×H→(r→)exp(jkr→·R^)QuQv(cosθs+cosθ)2dσe]]>其中，表示单元e的二次系数矩阵，上标e表示从步骤(11a)中提取的结构有限元模型中某一单元，u和v分别表示位于单元e上的节点编号，表示由节点u和v构成的单元e的二次系数矩阵分量，符号∈表示从属关系，NUM表示单元e上的节点总数，k表示自由空间波数，表示单元e的法向矢量，表示反射面位置矢量处的入射磁场，表示反射面位置矢量，exp表示自然对数的指数运算，j表示虚数单位，表示远场观察点的单位矢量，Qu表示步骤(11a)中提取的相对于第u个节点的形函数，Qv表示...

【技术特征摘要】
1.空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)输入天线几何参数、材料参数与电参数输入用户提供的空间网状天线的几何参数、材料参数以及电参数；其中几何参数包括口径、焦距、偏置距离、前后网面最小距离；材料参数包括索结构、桁架结构和金属丝网结构的材料密度、横截面积、杨氏弹性模量、泊松比以及比热容、热传导系数、热膨胀系数、表面辐射率、吸收率；电参数包括工作波长、馈源参数、馈源初级方向图以及包括天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求；(2)建立天线结构有限元模型根据用户提供的天线几何参数、材料参数建立天线结构有限元模型，其中索结构采用只受拉的杆单元进行建模，桁架结构采用梁单元进行建模，金属丝网结构采用壳单元进行建模；(3)建立天线热有限元模型在天线结构有限元模型的基础上...

【专利技术属性】
技术研发人员：张树新，杜敬利，张岳震，张顺吉，张逸群，宋立伟，杨东武，
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