星載天線動力學仿真分析

李虎 張峰

摘 要：星載天線升空過程是一個復雜的力學過程，合理的有限元模型建立是獲得該過程中應力響應、加速度響應和位移響應等信息的關鍵。該文基于通用有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立某星載天線的三維有限元模型，分析其升空狀態下的應力響應、加速度響應和位移響應，為星載天線設計及優化提供理論依據。

關鍵詞：ABAQUS 星載天線 動力學分析 有限元

中圖分類號：V443 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0056-02

星載天線被廣泛應用于無線電通訊、空間科學、對地觀測等領域。由于這些領域的迅速發展，對星載天線結構的尺寸和性能要求越來越高[1]。天線體附著在衛星外表面，經歷著與衛星同樣的過程。在火箭加速上升過程可引起衛星的振動、沖擊載荷等。因此，為提高星載天線的精度和使用壽命，對其進行動力學研究十分必要。

星載天線升空過程是一個多因素作用下，集幾何、材料、邊界條件的三重非線性為一體的復雜的動力學過程，單純采用理論解析方法難以準確、有把握地解決實際問題；采用試驗手段不具普適性，難以對問題給予普遍性的解答和規律性的指導。

該文基于有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立某星載天線的三維有限元模型，分析其升空狀態下的動力學響應，為星載天線設計及優化提供理論依據。

1 有限元模型的建立及關鍵技術處理

1.1 有限元模型的建立

該天線是一副十字交叉偶極天線，主要由振子、反射器、絕緣支撐、天線支撐桿等組成。天線輪廓尺寸為0.5 m×0.5 m×0.36 m。絕緣支撐采用材料凱夫拉，其具有低的線膨脹系數、良好的電磁波透過性能、抗沖擊性能。振子、反射器、天線支撐桿均選用鋁合金，這樣既可保證強度，又能滿足天線體質量要求。

星載天線升空過程是復雜的動力學過程。因而建立合理的有限元模型是實現星載天線動力學分析的前提。該文基于有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立了星載天線的有限元模型，如圖1所示。

有限元模型各部件間，根據它們之間的連接關系，采用相應的連接單元，把各零件組合成為與實際裝配關系相近的裝配模型。對于面（線）—面（線）的固定鏈接，采用綁定（TIE）方式處理。為了使計算模型與真實模型的質量相當，需要對模型進行配重。根據電纜等元器件的實際質量計算出密度縮放因數加在對應的材料密度上。

1.2 關鍵技術處理

1.2.1 單元的選擇與網格劃分

根據星載天線的結構特點，結合分析內容，并考慮計算效率與計算精度，模型采用實體單元劃分網格。線性單元比二次單元對網格扭曲的敏感性低，對于動力學分析這種復雜的力學問題采用線性單元比較合適。因此，對于天線的主體部分采用六面體八節點的線性實體減縮積分單元C3D8R進行離散，此單元具有抗沙漏效應，抗畸變能力強，并能高效、穩定地進行復雜的動力學計算[3]。

1.2.2 動態加載和接觸邊界

天線所受的動載荷主要是受到在發射階段衛星和運載火箭聯合的動力載荷。主要進行正弦振動頻率響應載荷分析。通過ABAQUS軟件的Response spectrum（譜相應）模塊進行仿真設計，得到3個方向下的峰值響應。天線底座處以BASE MOTION的形式將正弦振動激勵加載在天線上。

ABAQUS中有動力學接觸，動力學接觸是修正的接觸算法，嚴格執行接觸約束，能很好地應用于動力學仿真計算。接觸面間采用剪切摩擦模型，有限滑動摩擦準則。

2 計算結果及討論

在ABAQUS軟件的Abaqus/CAE Version模塊下進行前處理，最后在ABAQUS軟件的相應模塊下進行力學仿真計算。

2.1 天線結構模態分析

在ABAQUS軟件的Frequency模塊下對天線進行模態分析，確定天線的固有頻率，在進行模態分析時，將天線的底座全約束。表1中列出天線的前10階模態的固有頻率。天線的第一階頻率為166.76 Hz，此階模態主要由天線支撐桿參與振動，并帶動振子和絕緣支撐擺動，振型為沿X和Z軸方向的擺動，X軸方向的擺動大，參與有效質量較大，達到43.32%。第二階頻率為166.78 Hz，和一階頻率較接近，振型也與一階頻率類似，區別在于沿Z軸方向的擺動大，參與有效質量較大。第三階和第四階頻率分別為253.13 Hz和258.57 Hz，此兩階模態的頻率、振型和參與有效質量都接近，此兩階模態主要由天線反射器參與振動，振型為沿X和Z軸方向的擺動，反射器重量較輕，參與的有效質量也較小。

2.2 天線結構正弦振動分析

通過ABAQUS軟件的Response spectrum（譜相應）模塊進行仿真設計，得到3個方向下的峰值響應。天線體是對稱結構，X和Z方向的響應結果是一樣的。天線底座處以BASE MOTION的形式將正弦振動激勵加載在天線上，施加的位移、加速度值見表2，每一階模態加5%臨界阻尼。

3 結語

（1）該文基于通用有限元軟件ABAQUS的Frequency和Response Spectrum模塊建立某星載天線的三維有限元模型。（2）通過ABAQUS軟件的Frequency模塊對天線進行模態分析，提取了天線的固有頻率，與試驗結果對比，吻合良好。（3）通過ABAQUS軟件的Response spectrum模塊進行正弦振動仿真分析，為星載天線設計及優化提供理論依據。

參考文獻

[1] 郵電部北京設計所.天線和饋電線[M].北京：人民郵電出版社，1985.

[2] 詹梅，馬明娟，楊合，等.旋輪參數對異型薄壁殼體強力旋壓成形的影響[J].鍛壓技術，2006（5）：144-147.

[3] 石亦平.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.