[发明专利]空间网状天线温度载荷作用下机电集成优化设计方法

摘要

本发明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。

主权项

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表示步骤(11a)中提取的相对于第v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；11d)通过下式组集总体一次系数矩阵：H1=Ae=1mh1e]]>其中，H1表示总体一次系数矩阵，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，m表示单元总数，A表示有限元组集运算；11e)通过下式组集总体二次系数矩阵：H2=Ae=1mA2e]]>其中，H2表示总体二次系数矩阵，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，m表示单元总数，A表示有限元组集运算；11f)结合有限元模型求解后的节点位移与总体一次、二次系数矩阵，通过下式计算载荷作用下的远区电场变化量：ΔE→=-jkηexp(-jkR)4πR(I‾‾-R^R^)·(H1Δz+H2Δz2)]]>其中，表示载荷作用下的远区电场变化量，j表示虚数单位，k表示自由空间波数，η表示自由空间波阻抗，exp表示自然对数的指数运算，R表示远场观察点位置矢量幅度，π表示圆周率，表示单位并矢，表示单位矢量的并矢，H1表示总体一次系数矩阵，H2表示总体二次系数矩阵，Δz表示求解结构有限元模型后得到的节点轴向位移列向量，Δz2表示求解结构有限元模型后得到的节点轴向位移乘积列向量；(12)计算天线远区电场在步骤(10)和(11)的基础上，叠加理想反射面天线的远区电场和采用近似方法计算得到的远区电场变化量，通过下式计算远区电场：E→=E→0+ΔE→]]>其中，表示远区电场，表示采用近似方法计算得到的远区电场变化量，表示步骤(10)得到的理想天线远区电场；(13)判断电性能是否满足要求判断步骤(12)得到的天线远区电场是否满足天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、指向精度在内的电性能要求，如果满足要求则转至步骤(14)，否则转至步骤(15)；(14)输出天线结构设计方案当天线远区电场满足天线电性能要求时，输出天线结构设计数据；(15)更新天线参数当天线远区电场不满足天线电性能要求时，更新天线参数，转至步骤(1)。