[发明专利]一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法

摘要

本发明公开了一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，包括以下步骤（1）设计出一体化机翼蒙皮天线的几何结构模型；（2）提取各个微带辐射单元中心处的期望位置坐标；（3）将几何结构模型导入Ansys软件的CFX求解器中，建立几何结构模型的气动力学分析模型，并获得阵面变形数据和最大应力；（4）通过计算方向系数、增益等评估气动力载荷对机翼蒙皮天线力电性能的影响程度。本发明的有益之处在于计算速度快、结果准确、占用内存小；可定量分析非定常气动载荷对一体化机翼蒙皮天线力电性能影响的演变规律，克服了现有软件难以实现机电耦合分析的弊端，为设计阶段评估气动载荷的影响程度和实现气动、结构和电磁的多学科集成设计奠定了基础。

主权项

一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：根据工程需求，采用天馈系统分布式布局以及控制和信号处理系统集中处理的方式把若干微带辐射单元嵌入到机翼天线的上蒙皮和下蒙皮结构中，并结合飞行器气动外形的需求，设计出结构功能一体化机翼蒙皮天线的几何结构模型；第二步：从几何结构模型中提取各个微带辐射单元中心处的期望位置坐标其中，表示第ij个微带辐射单元的水平坐标，表示第ij个微带辐射单元的高度坐标，M和N表示沿着x,y方向的微带辐射单元个数；第三步：将所述几何结构模型导入Ansys软件的CFX求解器中，根据气动力学原理、通过修改几何结构模型的网格建立几何结构模型的气动力学分析模型，获得机翼表面的定常气动压强Pl(x,y,z,t)；第四步：根据获得的定常气动压强Pl(x,y,z,t)，利用当地流活塞理论，计算机翼表面某点的非定常气动压强P(x,y,z,t)，其计算公式如下：P(x,y,z,t)=Pl(x,y,z,t)+ρlalW(x,y,z,t)W(x,y,z,t)=Vl·δn+Vb·nδn=n0-n---(1)]]>式中，P(x,y,z,t)为机翼表面某点的非定常气动压强，W(x,y,z,t)为气流在该点沿物面外法线方向的上洗速度，Vb为该点物面的振动速度，Vl、ρl和al分别为该点的当地速度、当地空气密度和当地音速，n0为物面变形前的外法线单位矢量，n为物面变形后的外法线单位矢量，δ表示机翼蒙皮天线在气动载荷影响下的节点位移；第五步：根据非定常气动压强P(x,y,z,t)和已知的机翼表面面积S，计算结构功能一体化机翼蒙皮天线的非定常气动力载荷F(t)：F(t)＝P(x,y,z,t)S   (2)第六步：施加气动力载荷F(t)到结构功能一体化机翼蒙皮天线的气动力学分析模型中，利用Ansys软件求解该气动力学分析模型，并获得该气动力学分析模型的阵面变形数据和最大应力；第七步：根据获得的阵面变形数据，提取各个微带辐射单元在时刻t处的位置坐标Γ＝{(xij(t),yij(t),zij(t)),i＝1,2,...,M,j＝1,2,...,N}，其中，xij(t)和yij(t)表示第ij个微带辐射单元变形后的阵面水平坐标，zij(t)表示第ij个微带辐射单元变形后的阵面高度坐标；第八步：根据各个微带辐射单元变形后的位置坐标Γ和第二步中获得的期望位置坐标Γo，计算第ij个微带辐射单元在t时刻的辐射单元位置误差：Δxij(t)=xij(t)-xijoΔyij(t)=yij(t)-yijoΔzij(t)=zij(t)-zijo---(3)]]>式中，△xij(t)、△yij(t)和△zij(t)表示第ij个微带辐射单元随着时间t的位移变化量；第九步：根据各个辐射单元位置误差，利用方向图叠加原理，在考虑阵面辐射单元位置误差、面板和蜂窝厚度的影响下，计算蒙皮天线远场电场场强：式中，M和N分别表示沿直角坐标系x轴和y轴方向的微带辐射单元个数，Ιij表示第ij个微带辐射单元的激励电流，Fij(θ,φ)表示第ij个微带辐射单元方向图，k＝2π/λ0表示自由空间波常数，λ0表示自由空间波长，分别表示天线波束在远区不同的观察方向角，j表示复数虚部，表示从坐标原点到第ij个微带辐射单元中心的位置矢量，△rij(t)＝[△xij(t),△yij(t),△zij(t)]T表示第ij个微带辐射单元中心随时间t的位置演变，表示该微带辐射单元在直角坐标系中的三个分量，表示远区的观察方向的单位极化矢量第十步：根据得到的远场电场场强计算结构功能一体化机翼蒙皮天线的方向系数D(θ,φ)和增益G(θ,φ)：式中，η表示天线的辐射效率；在毫米波或高频频段下，η≈1；第十一步：根据天线远场电场场强和增益D(θ,φ)，评估气动力载荷F(t)对机翼蒙皮天线力电性能的影响程度。