一种双反射面天线的流固电磁三场耦合计算方法技术

本发明专利技术公开了一种双反射面天线的流固电磁三场耦合计算方法，它涉及反射面天线分析技术领域，旨在提供一种精度高、无转化误差和实用性强的计算方法。本发明专利技术主要包括以下过程：在流体场前处理软件中建立模型和计算域，将中间格式文件导入到流体场软件中，求解后得到流体场结果；将流体场结果转化格式后导入到固体场软件中，在固体场中建立关系耦合单元，经求解后得到固体场结果；再在电磁软件中将固体场结果进行插值处理，得到电磁计算模型，经计算后得到最终的电气结果。本发明专利技术有效地综合了流、固和电磁三场耦合分析，特别适合于各类反射面天线的设计、指标预算和强度校核。

【技术实现步骤摘要】
一种双反射面天线的流固电磁三场耦合计算方法
本专利技术涉及反射面天线分析
，可用于卡塞格伦和格里高利等双反射面天线的流体、固体和电磁三场耦合的计算方法，尤其适用于双反射面天线的指标预算和强度校核。
技术介绍
反射面天线因具有强方向性而广泛用于通信、测控和射电天文领域中。由于双反射面天线增加了几何参数，便于按照不同需求更灵活地进行设计；可以采用短焦距抛物面作为主反射面，减小了天线的纵向尺寸；次级焦点与接收设备更近，降低了传输噪声。因此，双反射面天线在天线领域中的占有非常重要的地位。天线在运行过程中主要承受重力和风力等载荷，对于重力载荷的分析，由于只涉及到固体场的计算，已经能够得到较好的解决；而风载荷的分析涉及到流体场和固体场耦合问题，一直以来，没有得到很好地解决，这是由于：①风作用在天线上，影响因素非常多，例如风速的大小，风的方向，反射器的形状等；②天线所受的风力很难用理论来计算，因为通过解粘性流体的运动微分方程(Navier-Stokes方程)十分困难；③流体场、固体场和电磁场分属三个专业领域，没有进行很好的统一。随着现代天文观测的新需求，反射面天线向着大口径、高精度方向发展。这就要求工程师能够在设计阶段准确预算天线的指标，而耦合场的分析将直接影响到天线的关键性能。另外，天线的强度分析也直接影响了天线的安全性，在强度分析中，风场数值的精确输入也是设计过程中面临的问题。在传统的三场耦合计算中，工程师往往根据已有的教科书所给出的风压示意图，进行粗略的计算。这种方法仅是一些初步的性能估算，对于大型高精度的双反射面天线来说，这种方法显得过于粗略，不能真实地反映流固电磁耦合问题，存在以下缺陷：(1)所给数据只是标量值。众所周知，流场压力是一个矢量值，教科书中只给出了标量参数，不能反映出力的作用方向，会导致计算结果产生较大偏差。(2)天线焦径比单一。书中只给出了四种焦径比天线的风洞试验阻力系数，且风向角也只是有限个离散数值。(3)没有涉及天线高度数值。天线在风流场中所承受的载荷，会受到地面的影响，与离地高度密切相关，书中所给出的数据没有涉及天线离地高度信息。(4)缺少副反射面数据。教科书中所给出的数据仅为天线主反射面，没有涉及双反射面天线中的副反射面风流场数据。(5)没有涉及其它异形反射面天线。书中所提供的数据仅为圆对称反射面天线，没有涉及偏置类天线和其它异形口径类天线的试验数据。(6)计算结果误差大。由于流体场输入的不准确性，会导致最终的电磁场结果产生很大的误差，甚至与实际情况相差甚远。公开号为CN102663178A的中国专利公开了一种机载相控阵天线在分析中的建模方法；公开号为CN105138817A的中国专利公开了一种球型天线罩所受风压的计算方法；公开号为CN106875488A的中国专利公开了一种天线面板风压系数的数值模拟方法。上述的三种方法虽然能够解决单一的固体场或流体场的分析计算，但对于双反射面天线的流体场、固体场和电磁场的耦合计算来说，存在以下不足：(1)只是单一场分析。上述几种方法，只是提供了对固体场或流体场进行单一场分析的方法，没有涉及多场之间的关系。(2)没有考虑位置关系的相互影响。所涉及到的流体计算方法，没有考虑反射面天线的类型，如双反射面天线中副反射面对主反射面的影响，而且也没有考虑天线座架的影响。(3)未涉及场耦合问题。对于工程中所涉及到的流体场、固体场和电磁场问题，以上三种方法均没有给出相应的解决方案。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种双反射面天线的流固电磁三场耦合计算方法，该方法运用现代数值计算手段，通过合理的建模方法，不同格式文件的转化，有效的参数设置和单元的建立，使流体场、固体场和电磁场之间的耦合为无损失转化，有效地提高了反射面天线的计算精度，本专利技术与现有的技术相比，具有精度高、周期短和数据处理简便的特点，特别适合于各类反射面天线的设计、指标预算和强度校核。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种双反射面天线的流固耦合场计算方法，包括如下步骤：(1)确定双反射面天线的工作仰角、来流方向和来流速度；(2)在三维CAD软件中建立双反射面天线模型：(2a)模型中至少包括：主反射面、副反射面和天线座架；(2b)模型总体坐标系位于天线座架下表面，且有一个坐标轴与来流方向相同，另一个坐标轴与天线座架下表面垂直；(3)将步骤(2)所得到的模型导出中间格式文件，如stp格式，也可以是igs格式；(4)将步骤(3)所得到的中间格式文件导入到CFD(计算流体动力学)前处理软件中；(5)在CFD前处理软件中建立计算域：(5a)计算域为长方体形状，长度方向与来流方向相同；(5b)计算域尺寸满足如下关系：LF≥3DLR≥9DW≥8DH≥4D以上四式中，LF为模型前方计算域长度；LR为模型后方计算域长度；W为计算域宽度；H为计算域高度；D为主反射面最大外形尺寸；(6)在CFD前处理软件中划分网格，设置边界条件：(6a)计算域前端表面为速度入口边界条件；计算域后端表面为压力出口边界条件；计算域两侧及上表面为对称边界条件；计算域下表面为固定壁面边界条件；(6b)主反射面、副反射面及天线座架各表面均为固定壁面边界条件；(7)将步骤(6)所得到的模型导出为msh格式文件；(8)将步骤(7)所得到的msh格式文件导入到CFD软件中；(9)在CFD软件中进行模型检查，定义流体材料，确定监视参数和设置迭代次数；(10)计算流体雷诺数，如下式：式中，Re为流体雷诺数；ρ为来流的密度；v为计算流体的来流速度；μ为计算流体的动力粘度；D为主反射面最大外形尺寸；(11)根据步骤(10)所得到的流体雷诺数，确定求解器，计算得到双反射面天线的流体场结果；(12)提取步骤(11)所得到的流体场结果，包括主反射面和副反射面的表面压力、阻力、升力、力矩和流线图；(13)对步骤(12)的结果进行数据处理，得到主反射面和副反射面的阻力系数、升力系数和力矩系数；(14)将步骤(11)所得到的流体场结果导出为FEA固体场格式文件，如db格式，也可以是dbs格式以及bdf格式；(15)将步骤(14)所得到的固体场格式文件导入到FEA软件中，对主反射面、副反射面和天线座架设定弹性模量和泊松比；(16)在FEA软件中建立天线背架和副反射面支撑结构，划分网格，给定材料特性数据，设定边界条件；(17)在FEA软件中将主反射面、副反射面和天线座架与对应结构相连接；(18)根据步骤(16)和(17)所建立的FEA模型，进行静力学求解，得到双反射面天线的固体场结果；(19)根据步骤(18)所得到的固体场结果，将主反射面、副反射面和馈源的变形数据导出为ASCⅡ文件；(20)将步骤(19)所得到的文本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双反射面天线的流固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)确定双反射面天线的工作仰角、来流方向和来流速度；/n(2)在三维CAD软件中建立双反射面天线模型，其中：/n(2a)模型中至少包括主反射面、副反射面、馈源和天线座架；/n(2b)模型总体坐标系位于天线座架下表面，且有一个坐标轴与来流方向相同，另一个坐标轴与天线座架下表面垂直；/n(3)将步骤(2)所得到的模型导出为中间格式文件；/n(4)将步骤(3)所得到的中间格式文件导入到计算流体动力学前处理软件中；/n(5)在计算流体动力学前处理软件中建立计算域，其中：/n(5a)计算域为长方体形状，长度方向与来流方向相同；/n(5b)计算域尺寸满足如下关系：/nL

【技术特征摘要】
1.一种双反射面天线的流固电磁三场耦合计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定双反射面天线的工作仰角、来流方向和来流速度；
(2)在三维CAD软件中建立双反射面天线模型，其中：
(2a)模型中至少包括主反射面、副反射面、馈源和天线座架；
(2b)模型总体坐标系位于天线座架下表面，且有一个坐标轴与来流方向相同，另一个坐标轴与天线座架下表面垂直；
(3)将步骤(2)所得到的模型导出为中间格式文件；
(4)将步骤(3)所得到的中间格式文件导入到计算流体动力学前处理软件中；
(5)在计算流体动力学前处理软件中建立计算域，其中：
(5a)计算域为长方体形状，长度方向与来流方向相同；
(5b)计算域尺寸满足如下关系：
LF≥3D
LR≥9D
W≥8D
H≥4D
以上四式中，LF为模型前方计算域长度；LR为模型后方计算域长度；W为计算域宽度；H为计算域高度；D为主反射面最大外形尺寸；
(6)在计算流体动力学前处理软件中划分网格，设置边界条件，其中：
(6a)计算域前端表面为速度入口边界条件；计算域后端表面为压力出口边界条件；计算域两侧及上表面为对称边界条件；计算域下表面为固定壁面边界条件；
(6b)主反射面、副反射面及天线座架各表面均为固定壁面边界条件；
(7)将步骤(6)所得到的模型导出为msh格式文件；
(8)将步骤(7)所得到的msh格式文件导入到计算流体动力学软件中；
(9)在计算流体动力学软件中进行模型检查，定义流体材料，确定监视参数和设置迭代次数；
(10)计算流体雷诺数：



式中，Re为流体雷诺数；ρ为来流的密度；v为计算流体的来流速度；μ为计算流体的动力粘度；D为主反射面最大外形尺寸；
(11)根据步骤(10)所得到的流体雷诺数，确定求解器，计算得到双反射面天线的流体场结果；
(12)提取步骤(11)所得到的流体场结果，包括主反射面和副反射面的表面压力、阻力、升力、力矩和流线图；
(13)对步骤(12)的结果进行数据处理，得到主反射面和副反射面的阻力系数、升力系数和力矩系数；
(14)将步骤(11)所得到的流体场结果导出为有限元固体场格式文件；
(15)将步骤(14)所得到的固体场格式文件导入到有限元分析软件中，对主反射面、副反射面和天线座架设定弹性模量和泊松比；
(16)在有限元分析软件中建立天线背架和副反射面支撑结构，划分网格，给定材料特性数据，设定边界条件；
(17)在有限元分析软件中将主反射面、副反射面和天线座架与对应结构相连接；
(18)根据步骤(16)和(17)所建立的有限元模型，进行静力学求解，得到双反射面天线的固体场结果；
(19)根据步骤(18)所得到的固体场结果，将主反射面、副反射面和馈源的变形数据导出为ASCII文件；
(20)将步骤(19)所得到的文件导入到高频电磁EDA软件中，确定主反射面和副反射面曲面边界；
(21)在EDA软件中分别对主反射面和副反射面数据点进行插值处理，形成连续的主反射面和副反射面；
(22)在EDA软件中设定计算参数，其中：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国玺，杜彪，刘胜文，伍洋，郑元鹏，陈隆，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13