基于ansys和adams的大型天線動力學建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線技術領域，具體涉及基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模 方法，用于指導大型反射面天線伺服系統(tǒng)的設計。
【背景技術】
[0002] 反射面天線作為最常用的一類高增益微波毫米波天線，通過產生筆形波束定向輻 射能量，在空間通信、深空探測、射電天文等領域得到了廣泛的應用。為了更有效的探索一 些未知領域，捕捉來自遙遠無限的太空信息，反射面天線不可避免地趨于更大口徑和更高 工作頻率。隨著天線口徑的增大和頻率的提高，其對應指向目標的波束寬度將變窄，若窄波 束指向目標的精度沒有在允許范圍內，潛在提高的增益將迅速減??；此外，由于天線口徑越 來越大，天線本身可被視為一個柔性結構，其低頻諧振對天線動力學的影響作用也越來越 明顯。反射面天線整體動力學模型的準確建立對于深入研宄天線的動力學性能，改善控制 性能，提尚指向精度等方面均具有重要的意義。
[0003] 反射面天線的整體運動包括小幅度的彈性變形和大范圍的剛體運動。近年 來，國內外對小幅度的結構彈性變形的建模描述方法主要有：（1)主自由度法：Guyan RJ.Reductionofstiffnessandmassmatrices.AIAAJournal，1965 ;3(2) :380_380 提 出質量和剛度縮減法以來，大量的工程師根據(jù)經驗，將結構的自由度分為兩類：主自由度和 從自由度，以少量的主自由度來代替整體結構的自由度，從而建立一個縮減的結構動力學 模型；Sau-LonJamesHu，HuangjunLi，MinZhang.Refinementofreduced-modelsfor dynamicsystems，ProgressinNaturalScience，2008(18) :993_997 根據(jù)主從自由度 的方法建立了一個多自由度的彈簧質量塊系統(tǒng)的動力學模型Jia-ZhenHong，Wei-Ming Li.Newiterativemethodformodelupdatingbasedonmodelreduction，Mechanical SystemsandSignalProcessing，2011 (25) : 180-192 根據(jù)主從自由度的方法建立一個太 陽能帆板的動力學模型；孔令飛.深孔加工中鉆桿系統(tǒng)非線性動態(tài)行為研宄，西安理工大 學博士學位論文，2010對該方法擴展，提出了一種基于自由界面模態(tài)綜合技術的系統(tǒng)自由 度縮減方法，并建立了多柔性回轉鉆桿橫向振動模型。（2)等效模型法：該方法是基于集中 質量和慣量的等效有限元法。王相兵.工程機械臂系統(tǒng)結構動力學及特性研宄，2014,浙江 大學博士學位論文基于此方法建立了液壓挖掘機械臂的動力學微分方程；張鐵亮.衛(wèi)星夾 層結構分析與結構設計研宄，2012,南京航空航天大學博士學位論文對于星箭耦合結構，利 用等效模型替代結構復雜的有限元模型進行設計分析；張俊飛.某火炮結構參數(shù)靈敏度分 析與優(yōu)化研宄，2014,南京理工大學碩士學位論文針對火炮結構，使用近似模型代替原始的 有限元參數(shù)化模型進行分析與優(yōu)化。通過對上述方法的研宄，概括其不足之處在于：（1)對 于簡單的結構來說，其質量及剛度矩陣可直接得到，根據(jù)如上方法進行結構動力學建模是 可行的。然而，對于大型反射面天線，其有限元模型的自由度上萬個，無法提取出其相應的 矩陣，故基于如上方法無法進行動力學建模；（2)僅適用于結構系統(tǒng)，而反射面天線在運動 過程中有典型的剛體運動，如上的方法并不適用。
[0004] 同時考慮反射面天線的剛體運動以及彈性振動，對反射面天線進行建模，國內外 的研宄文獻主要的處理思路是對彈性振動和剛體位移分別描述，然后通過線性疊加建立整 體模型。對彈性振動主要在模態(tài)空間通過模態(tài)坐標進行描述，而對天線主要的剛體運動主 要有兩種方式：（1)對剛體運動只考慮慣性的影響，完全忽略外界阻尼，W.Gawronskiand J.A.Mellstrom，''ElevationControlSystemModelfortheDSS13antenna"[J]，Ground AntennasandFacilitiesEngineeringSection，TDAProgressReport42-106,May15， 1991，83-85.在這種假設條件下天線在恒定的輸入將會以恒定的加速度運動，與實際相違 背；（2)通過仿真估算阻尼，張潔，黃進，宋瑞雪，邱麗麗一種面向控制的大型天線建模方 法，2013,（201310496650. 5)西安電子科技大學，但是該估算需要用到天線實際值，僅適用 于天線建成以后，不適用于設計階段。且以上兩種處理方法，對天線的剛體運動和彈性振 動，最終進行線性疊加得到整體運動，并未考慮這兩種運動的耦合關系。但實際中，對于反 射面天線這樣一個復雜的對象，基于線性疊加的這種思想進行建模，其精度是有待考證的。 特別是當天線的指向精度要求非常高，在角秒量級時，這種建模方法往往滿足不了要求。
[0005] 綜上所述，目前沒有一種同時考慮雷達天線剛體位移和彈性變形的耦合，以實現(xiàn) 其整體動力學描述的動力學描述方法。

【發(fā)明內容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力 學建模方法，基于ANSYS和ADAMS同時考慮大型反射面天線的剛體位移和彈性變形及其兩 者的耦合，以實現(xiàn)對大型反射面天線動力學的準確描述，為大型反射面天線的伺服控制奠 定基礎。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0008] 基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模方法，包括如下步驟：
[0009]S1針對反射面天線伺服系統(tǒng)的具體結構要求，結合ANSYS軟件建立反射面天線彈 性構件的有限元模型，有限元模型節(jié)點個數(shù)為nd;
[0010]S2根據(jù)下式對步驟S1的彈性構件有限元模型進行模態(tài)分析：
【主權項】
1.基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模方法，其特征在于，包括如下步驟； S1針對反射面天線伺服系統(tǒng)的具體結構要求，結合ANSYS軟件建立反射面天線彈性構 件的有限元模型，有限元模型節(jié)點個數(shù)為rid; S2根據(jù)下式對步驟S1的彈性構件有限元模型進行模態(tài)分析： M2{t) + Cz{t) + Kz{t) = Q； 其中，z(t)、分別為t時刻描述反射面天線結構振動所選取的廣義坐標、廣 義坐標的一階導數(shù)和二階導數(shù)，即ridX1的位移、速度、加速度向量；M為ridXnd的結構質量 矩陣，C為ridXnd的結構阻巧矩陣，K為ndXrid的結構的剛度矩陣； S3根據(jù)步驟S2的模態(tài)分析結果Z(t) = 4e^et，j= 1，2,...，叫，W和4分別表示頻 率變量和節(jié)點位移變量，提取各階頻率Wi及各階頻率所對應的節(jié)點位移4U，其中i= 1， 2, . ..，rvrij.表示截斷的模態(tài)階數(shù)，并分別組成頻率矩陣Q和振型矩陣〇，如下式所示：
S4根據(jù)步驟S3的結果建立第i階模態(tài)振動對應的狀態(tài)空間方程： X(r) = 4x(') +公,-"(/) y=CiX(t) 式中，x(〇 = (g,(〇樂(Of為狀態(tài)向量，qiW和東W分別為第i階模態(tài)在t時刻的位 移坐標及模態(tài)速度坐標;Ai、Bi和Ci分別為第i階模態(tài)振動狀態(tài)空間方程對應的系統(tǒng)矩陣、 輸入矩陣和輸出矩陣；u(t)為輸入力； S5根據(jù)結構設計參數(shù)及步驟S4所得方程，計算第i階模態(tài)子系統(tǒng)對應的傳遞函數(shù)的 范數(shù)l|Gi(w)Ms; Gi(w)I12=I|Ci(jwI-Ai)^^Bj12(i=L2---rij)； 其中w為頻率變量，表明上式是在頻域進行計算，I為單位陣；該范數(shù)反映了第i階模 態(tài)對全系統(tǒng)輸出的能量貢獻度； S6將IIGi(w)M2按從大到小的順序進行排列，根據(jù)精度要求，選取前k階，對應的截斷 誤差為：
S7根據(jù)步驟S6所選取的k階模態(tài)，結合ANSYS軟件，導出彈性構件對應的模態(tài)中性文 件； S8在ADAMS軟件中導入步驟S7的模態(tài)中性文件，并且依次進行天線其他剛性構件的建 模，并對W上模態(tài)中性文件和剛性構件通過運動副進行連接，最終得到反射面天線整體仿 真模型。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模方法，其特征在 于，步驟S1所述的反射面天線彈性構件有限元模型，對應反射體部分，具體包括主反射體、 副反射體及支撐、中屯、體、主反射體背架結構、傘形支撐、大齒輪W及大齒輪根部的配重。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模方法，其特征在 于，步驟S2中，模態(tài)分析施加有邊界條件，其中包括釋放繞天線剛體旋轉轉軸的旋轉自由 度，約束剩余自由度W及對大小齒輪曬合處用短梁模擬齒輪曬合，短梁未曬合端全約束。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模方法，其特征在 于，步驟S3中，截斷的模態(tài)階數(shù)rij.根據(jù)W下計算式來確定：
其中n。為滿足截斷條件的模態(tài)階數(shù)，E(n)為前n階模態(tài)對應的模態(tài)能量，由下式確定：
ki和mi分別為第i階模態(tài)對應的剛度和質量。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模方法，其特征在 于，步驟S4中模態(tài)化后的系統(tǒng)矩陣Ai、輸入矩陣BiW及輸出矩陣Ci分別根據(jù)下式得出：
其中，為阻巧比，bi為ridXl的輸入向量，該向量中對應作動器處的節(jié)點位置的元素 置一，其他元素為零；Ci為1Xnd的輸出向量，該向量中對應傳感器處的節(jié)點位置的元素置 一，其他元素為零；巫1為上述振型矩陣巫的第i列。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于ANSYS和ADAMS的大型天線動力學建模方法，主要解決現(xiàn)有的建模方法不能準確描述天線的剛體運動，且無法考慮天線運動過程中的剛彈耦合的問題，其實現(xiàn)步驟是：以大型反射面天線的彈性構件的有限元模型為基礎，根據(jù)其模態(tài)分析結果，選擇對天線輸出變量貢獻度大的模態(tài)，利用少量的模態(tài)坐標代替節(jié)點坐標對彈性變形的自由度進行縮聚，然后導出對應的模態(tài)中性文件；通過在ADAMS中建立天線的剛體構件，結合描述彈性體的模態(tài)中性文件，進行裝配可得描述天線整體運動的動力學仿真模型。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的建模方法的缺陷，不但可實現(xiàn)高精度動力學建模，而且可明顯縮短研制周期。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104850697
【申請?zhí)枴緾N201510249518
【發(fā)明人】李素蘭, 魏雪梅, 保宏, 王從思, 馮樹飛, 許謙, 項斌斌
【申請人】西安電子科技大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月15日