[发明专利]一种天线背架结构拓扑优化加权水平集方法及系统

说明书

本发明属于天线技术领域，公开了一种天线背架结构拓扑优化加权水平集方法及系统，输入天线背架设计区域的初始结构、拓扑参数与电参数，计算天线背架结构的水平集函数，定义天线背架结构拓扑设计变量，生成加权函数；对天线背架结构有限元分析，输出结构位移向量；计算加权柔顺度以及计算加权柔顺度形状灵敏度、拓扑灵敏度，接着水平集函数与结构演化；判断是否满足要求，如果满足就输出拓扑设计变量，如果不满足要求，接着判断是否重新计算结构的水平集函数，不需要重新计算就直接进行有限元分析，需要就重新计算结构的水平集函数。本发明得到具有清晰结构、有利于天线电性能的合理优化拓扑，可用于后续的详细设计过程。

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种天线背架结构拓扑优化加权水平集方法及系统。

背景技术

目前，对于一些大型天线，如阵列天线、反射天线和保形天线，它们的功能表面应该得到详细的支持和设计，以在详细设计阶段保持所需的表面形状。虽然最小柔顺度优化可以为支撑结构提供一个最优的材料分布，但由于优化后的拓扑结构通常是不规则的，以及无法满足天线电性能要求，无法在后续的详细设计过程中采用，因此优化结果通常在实际的天线工程中得不到采用。天线设计中通常需要清晰部件的拓扑结构，在结构刚度中引入电磁特性，可以得到所需的拓扑结构。

冷国俊在文献“天线辐射梁的连续体拓扑优化研究”(应用力学学报2010Vol.27No.4:834–838)中提出将天线表面均方根误差引入到背架结构的拓扑优化中，并将均方根误差的值作为权重因子乘以表面节点位移。由于均方根误差是较为详细的结构信息，因此均方根加权过程在初步设计过程中表现出了局限性，无法在工程上实际应。Hu等在文献“Topology optimization ofreflector antennas based on integratedthermal-structural-electromagnetic analysis”(Struct Multidisc Optim 2017,55,715–722)中提出了一种温度载荷作用下的天线机电集成拓扑设计方法，用于执行反射面天线结构的拓扑优化。实际上，优化结果是通过详细的尺寸优化设计得到的，对电磁性能的改善不大。以上研究在天线拓扑优化方面，并没有为天线背架初步设计阶段提供重要指导。张树新在专利“面向电性能的反射面天线背架结构拓扑优化方法”(申请号：201911261289.1)中提出了一种将反射面天线电参数引入到初始结构设计的结构拓扑优化方法，虽然实现了满足天线电性能的反射面背架结构拓扑优化，但由于采用了变密度法，使得优化结果中存在灰度单元等缺陷。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术将天线表面均方根误差引入到背架结构的拓扑优化中，但均方根加权方法在初步设计过程中表现出了局限性，体现在均方根属于结构详细设计参数，而拓扑优化属于概念设计，故无法在工程实际应用。

(2)现有技术将反射面天线电参数引入到初始结构设计的结构拓扑优化方法，虽然实现了满足天线电性能的反射面背架结构拓扑优化，但由于采用了变密度法，使得优化结果中存在灰度单元等缺陷，而灰度单元材料存在制造困难等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天线背架结构拓扑优化加权水平集方法及系统。

本发明是这样实现的，一种天线背架结构拓扑优化加权水平集方法，所述天线背架结构拓扑优化加权水平集方法包括：

输入天线背架设计区域的初始结构、拓扑参数与电参数，计算天线背架结构的水平集函数，定义天线背架结构拓扑设计变量，生成加权函数；

对天线背架结构有限元分析，输出结构位移向量；

计算加权柔顺度以及计算加权柔顺度形状灵敏度、拓扑灵敏度，接着水平集函数与结构演化；