相控阵天线热分析与振动分析

论文摘要

相控阵天线(Phased Array Antenna)技术含量高,耗资比重大,它是相控阵雷达举足轻重的分系统。然而相控阵天线是大功率的电子设备,结构的高密度使单位体积内容易产生更大的热量,并且由于材料间热膨胀系数不匹配会导致器件和组件失效,因此必须关注热引起的天线失效问题。另外机械振动也是引起天线失效的主要原因之一。目前有限元仿真技术已经成为军事电子产品失效分析的关键技术。利用有限元法对相控阵天线中的许多复杂物理问题进行仿真分析,不仅能达到相当的精度,而且能有效地节约实验成本和时间。本论文以有限元分析软件ANSYS为实验手段,对相控阵天线的热可靠性和振动可靠性进行了相关研究。以相控阵天线为研究对象,在ANSYS中建立相关的有限元模型,编制了相应的APDL参数化分析程序,进行了温度场分析、热应力场分析和振动模态分析。通过对仿真结果进行分析研究,总结出可能影响天线可靠性的一些因素和规律,为合理地进行天线的结构设计提供一些参考依据。具体内容包括:1.分别对天线的核心器件、核心子部件、天线整体结构建立了热分析几何模型和有限元模型,利用有限元法对其进行了热学和热力学模拟,分析了核心器件、核心部件、天线整体结构的温度场分布规律、热应力和热变形分布规律。在对核心子部件进行分析时,重点对移相器模型的几何尺寸因素对子部件整体热分析的影响进行了具体研究。2.子结构温度凝聚热分析法是求解大型结构或由多个相同子结构组成的系统温度场的有效方法,主要优点是节约计算机资源,节约计算时间。本文以天线核心子部件为分析对象,探讨了子结构热分析法的应用,并深入研究了子结构热分析技术中主自由度选择方法,重点研究主自由度分布和数量的影响。3.分别对天线核心子部件和天线整体建立振动几何模型和有限元模型,分析了其动力学特征,包括固有频率和模态振型等振动参数。最后将天线子结构模态分析法和天线整体模型分析法的计算结果进行了对比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 相控阵雷达天线概述
• 1.1.1 相控阵雷达天线的发展历程与趋势
• 1.1.2 相控阵雷达天线的应用
• 1.1.3 相控阵雷达天线的国内外研究现状
• 1.2 机载电子设备失效的主要原因
• 1.3 机载相控阵天线的热问题和振动问题
• 1.4 研究内容与研究目的
• 第二章 移相器的热分析
• 2.1 相控阵的基本原理
• 2.1.1 阵列天线的基本原理
• 2.1.2 移相器相位控制原理
• 2.2 移相器简介与分类
• 2.2.1 双模锁式铁氧体移相器
• 2.2.2 MEMS 移相器
• 2.3 求解温度场的有限元方法
• 2.4 移相器的温度场分析
• 2.4.1 双模锁式铁氧体移相器的温度场分析
• 2.4.2 MEMS 移相器的温度场分析
• 2.5 求解热应力的有限元方法
• 2.6 移相器的热应力与热变形分析
• 2.6.1 双模锁式铁氧体移相器的热应力与热变形分析
• 2.6.2 MEMS 移相器的热应力与热变形分析
• 2.7 本章总结
• 第三章 子部件的热分析
• 3.1 子部件的稳态热分析
• 3.1.1 子部件热模型
• 3.1.2 稳态温度场的分析
• 3.1.3 稳态热平衡分析
• 3.2 子部件的瞬态热分析
• 3.3 子部件的热应力与热变形分析
• 3.4 移相器模型几何尺寸因素对子部件的热分析的影响
• 3.4.1 水平尺寸对温度场的影响
• 3.4.2 高度尺寸对温度场的影响
• 3.4.3 高度尺寸对热应力场的影响
• 3.5 本章总结
• 第四章 天线系统级热分析
• 4.1 天线热分析模型
• 4.2 天线系统级温度场分析
• 4.3 天线系统级热应力和热变形分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 子结构温度凝聚热分析法的应用与研究
• 5.1 子结构温度凝聚原理
• 5.2 子结构热分析法在子部件热分析中的应用
• 5.2.1 子结构热分析技术使用方法概述
• 5.2.2 稳态热分析
• 5.2.3 瞬态热分析
• 5.3 子结构热分析中主自由度选择方法研究
• 5.3.1 计算结果评价方法
• 5.3.2 子结构整体主自由度分布的影响分析
• 5.3.3 子结构界面主自由度分布的影响分析
• 5.3.4 主自由度数量的影响分析
• 5.3.5 主自由度选择方法影响分析之结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 相控阵天线的振动模态分析
• 6.1 求解结构振动问题的有限元方法
• 6.2 子部件的振动模态分析
• 6.2.1 子部件振动模型
• 6.2.2 子部件的模态分析
• 6.3 天线系统级振动模态分析
• 6.3.1 天线系统级振动模型
• 6.3.2 天线系统级模态分析
• 6.4 子结构模态分析法在天线分析中的应用
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果