一種軸對(duì)稱(chēng)反射面天線(xiàn)熱變形實(shí)時(shí)預(yù)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種軸對(duì)稱(chēng)反射面天線(xiàn)熱變形實(shí)時(shí)預(yù)估方法。 應(yīng)用于對(duì)工程中軸對(duì)稱(chēng)反射面天線(xiàn)溫度場(chǎng)和熱變形的實(shí)時(shí)預(yù)估。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，反射面天線(xiàn)向著高頻率、高增益、大口徑的方向發(fā)展，任何 微小結(jié)構(gòu)變形都將引起電性能的顯著下降，溫度作為天線(xiàn)載荷之一，越來(lái)越受到重視。西班 牙IRAM-30米射電望遠(yuǎn)鏡工作頻率高達(dá)230GHz，天線(xiàn)整體配有溫控設(shè)備，上海余山65米、德 國(guó)Effelsberg-100米等射電望遠(yuǎn)鏡，因其結(jié)構(gòu)鹿大，難W配置溫控設(shè)備，熱變形嚴(yán)重制約 著電性能。
[0003] 為了保證天線(xiàn)的電性能，最有效的方法是通過(guò)溫控措施來(lái)降低反射面天線(xiàn)溫度場(chǎng) 的梯度，從而減小反射面天線(xiàn)的熱變形。然而，在大型反射面天線(xiàn)上配置溫控設(shè)備的代價(jià)較 大，通常沒(méi)有溫控設(shè)備。目前，改善變形反射面天線(xiàn)電性能的方法主要是通過(guò)主動(dòng)反射面技 術(shù)減小反射面的變形，或者通過(guò)移動(dòng)副面（雙反射面天線(xiàn)）或者饋源（單反射面天線(xiàn)），根 據(jù)最佳吻合的概念，減小天線(xiàn)主反射面的系統(tǒng)變形?？梢?jiàn)，上述方法的共同前提是主反射面 的變形信息是已知的，因此，為了實(shí)時(shí)減小溫度對(duì)天線(xiàn)的電性能的影響，熱變形的實(shí)時(shí)預(yù)估 是關(guān)鍵的一步，而溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)獲取則是熱變形實(shí)時(shí)預(yù)估的前提。
[0004] 實(shí)際上，地基反射面天線(xiàn)時(shí)刻受到太陽(yáng)福射、天空散射及地面反射等復(fù)雜因素的 影響，且反射面天線(xiàn)多工況及太陽(yáng)位置時(shí)變而導(dǎo)致溫度場(chǎng)無(wú)規(guī)律分布。目前獲取天線(xiàn)溫度 場(chǎng)主要方法有兩種；有限元仿真和溫度傳感器測(cè)量。有限元方法基于傳熱學(xué)理論，可反映結(jié) 構(gòu)內(nèi)在傳熱規(guī)律，但由于復(fù)雜時(shí)變的環(huán)境難W精確度量，邊界條件的設(shè)置主觀因素過(guò)多，計(jì) 算誤差較大，每次只能計(jì)算一種工況下的溫度場(chǎng)且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，不具有實(shí)時(shí)性。布置溫度 傳感器則可實(shí)時(shí)獲取實(shí)際天線(xiàn)的溫度場(chǎng)，但成本較高，且大量傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性下 降，采用插值方法也存在一定的插值誤差。總之，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取天線(xiàn)溫度場(chǎng)比較困難，無(wú)法 實(shí)現(xiàn)反射面天線(xiàn)熱變形的實(shí)時(shí)預(yù)估，進(jìn)而無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)時(shí)減小反射面天線(xiàn)熱變形對(duì) 其電性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有方法的不足，結(jié)合測(cè)量溫度數(shù)據(jù)和仿真溫度數(shù) 據(jù)，提出一種軸對(duì)稱(chēng)反射面天線(xiàn)熱變形實(shí)時(shí)預(yù)估方法，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取天線(xiàn)溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)反射 面天線(xiàn)熱變形的實(shí)時(shí)預(yù)估，進(jìn)而實(shí)時(shí)減小反射面天線(xiàn)熱變形對(duì)其電性能的影響。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種軸對(duì)稱(chēng)反射面天線(xiàn)熱變形實(shí)時(shí)預(yù)估方法，包 括如下步驟：
[0007] (1)依據(jù)反射面天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)W及結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的材料屬性，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析軟 件ANSYS建立有限元模型；
[0008] (2)依據(jù)反射面天線(xiàn)的有限元模型W及熱分析相關(guān)的材料屬性，通過(guò)熱分析軟件 I-DEAS建立熱分析模型；
[0009] (3)依據(jù)天線(xiàn)熱分析模型，通過(guò)I-DEAS熱分析軟件計(jì)算太陽(yáng)光線(xiàn)與天線(xiàn)口徑面不 同夾角時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)，建立溫度數(shù)據(jù)表；
[0010] (4)依據(jù)實(shí)際天線(xiàn)的當(dāng)前工況，從步驟（3)所建立的溫度數(shù)據(jù)表中查表獲取一個(gè) 溫度場(chǎng)；
[0011] (5)在天線(xiàn)背架和主反射面上各分散布置若干溫度傳感器，依據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，修 正步驟（4)查表所得的溫度場(chǎng)；
[0012] (6)依據(jù)修正后的溫度場(chǎng)，通過(guò)ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件，計(jì)算天線(xiàn)當(dāng)前工況對(duì)應(yīng)的熱 變形。
[0013] 所述步驟（1)中反射面天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括天線(xiàn)背架、中也體、主反射面、副反射 面等結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)信息；結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的材料屬性包括密度、泊松比、彈性模量、熱膨脹 系數(shù)。
[0014] 所述步驟（2)中反射面天線(xiàn)熱分析相關(guān)的材料屬性包括熱傳導(dǎo)率、比熱、吸收率 和發(fā)射率；所述步驟（2)中通過(guò)熱分析軟件I-DEAS建立熱分析模型，按如下過(guò)程進(jìn)行：
[0015] (2a)將熱分析相關(guān)的材料屬性和天線(xiàn)相關(guān)的單元類(lèi)型按照I-DEAS可識(shí)別的命令 寫(xiě)成命令流文件；
[001引 姊）依據(jù)ANSYS有限元模型，提取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元連接關(guān)系，并將其寫(xiě)成I-DEAS 可識(shí)別的命令流文件；
[0017] (2c)在I-DEAS軟件中依次讀入步驟（2a)和（2b)中的命令流文件，生成反射面天 線(xiàn)的熱分析模型。
[0018] 所述步驟（3)中依據(jù)天線(xiàn)熱分析模型，通過(guò)I-DEAS熱分析軟件計(jì)算太陽(yáng)光線(xiàn)與天 線(xiàn)口徑面不同夾角時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)，建立溫度數(shù)據(jù)表，按如下過(guò)程進(jìn)行：
[0019] (3a)打開(kāi)I-DEAS軟件，導(dǎo)入天線(xiàn)熱分析模型；
[0020] (3b)設(shè)置熱分析模型的地理締度為0度，天線(xiàn)俯仰角為0度，即天線(xiàn)指平，設(shè)置口 徑面朝東或者朝西，設(shè)置仿真日期為春分或者秋分；
[002。 （3c)根據(jù)天線(xiàn)所在地區(qū)和季節(jié)常見(jiàn)的天氣狀況，設(shè)置太陽(yáng)常數(shù)，環(huán)境溫度，遠(yuǎn)空溫 度，大氣清潔因子，大地反射因子，天空散射因子，自然對(duì)流系數(shù)；
[002引 （3d)設(shè)置仿真時(shí)間間隔為At,單位為砂，則一天共有24X3600今At種工況，進(jìn) 而確定相鄰兩個(gè)工況的角度間隔為A 0心1= 360今（24X3600今At),單位為度，則從太陽(yáng) 升起到太陽(yáng)降落共有180/A 0 +1種工況；
[002引 （3e)進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，得到180/ A 0 +1種工況對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)；
[0024] 做）根據(jù)各工況太陽(yáng)光線(xiàn)與天線(xiàn)口徑面的夾角0ikt，建立溫度數(shù)據(jù)表，其中太陽(yáng) 光線(xiàn)在口徑面上方時(shí)夾角為正，在口徑面下方時(shí)夾角為負(fù)。
[00巧]所述步驟（4)中依據(jù)實(shí)際天線(xiàn)的當(dāng)前工況，從步驟（3)所建立的溫度數(shù)據(jù)表中查 表獲取一個(gè)溫度場(chǎng)，按如下過(guò)程進(jìn)行：
[0026] (4a)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的太陽(yáng)高度角目和太陽(yáng)方位角a (規(guī)定東南方向?yàn)樨?fù)，西南方 向?yàn)檎?，按下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
[0027] sin 目=sin〇Ns * sin 5+cos〇Ns * cos 5 ? cos W， . cosd.sirud
[0028] sin a =---， cos />
[0029] cos a 二 sec〇NsSec P (sin〇NsSin P-sin 5 )，
[0030] 其中，表示天線(xiàn)地理締度（規(guī)定赤道W北為正，赤道W南為負(fù)），w表 示實(shí)際天線(xiàn)所處地理位置的當(dāng)前地方時(shí)間對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)時(shí)角，5表示太陽(yáng)赤締角， S =巧.45.sin(360 式中d按1月1日取1，1月2日取2,依此類(lèi)推； 365
[0031] (4b)計(jì)算太陽(yáng)光線(xiàn)和實(shí)際天線(xiàn)口徑面的相對(duì)位置關(guān)系，包括太陽(yáng)光線(xiàn)與實(shí)際天線(xiàn) 口徑面的夾角0和太陽(yáng)光線(xiàn)在口徑面投影與口徑面局部坐標(biāo)系0-XiyiZi的Xi軸的夾角口：
[0032]
[0033]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種軸對(duì)稱(chēng)反射面天線(xiàn)熱變形實(shí)時(shí)預(yù)估方法，其特征是：包括如下步驟： (1) 依據(jù)反射面天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的材料屬性，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYS建立有限元模型； (2) 依據(jù)反射面天線(xiàn)的有限元模型以及熱分析相關(guān)的材料屬性，通過(guò)熱分析軟件 I-DEAS建立熱分析模型； (3) 依據(jù)天線(xiàn)熱分析模型，通過(guò)I-D