合有限元模型，获得结 构与电磁性能，最后判断性能是否满足要求，如果不满足要求，则进行结构与电磁灵敏度分 析，获得电性能对结构设计参数的灵敏度，并更新结构设计参数，如果满足要求，则输出结 构设计方案。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0096] 第一，本发明通过采用结构-电磁混合单元建立反射面天线结构-电磁混合有限 元模型，通过求解此结构-电磁混合有限元模型同时获得反射面天线的结构与电磁性能， 克服了现有技术计算量大的不足，缩短了计算时间。
[0097] 第二，本发明通过采用结构与电磁灵敏度分析，获得了电性能对结构设计参数的 灵敏度信息，并依据此灵敏度信息构建了迭代搜索方向，提供了准确的优化迭代搜索方向， 减少了优化迭代时间，具有收敛速度快的优点。
[0098] 本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙 述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本 发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计方法，其特征在于，包括 如下步骤： (1) 输入反射面天线结构参数和电参数 输入用户提供的反射面天线的结构参数和电参数信息，其中结构参数包含口径、焦距、 反射面板尺寸与厚度参数、背架辐射梁位置、尺寸与截面参数、中心体尺寸参数和载荷参 数，电参数包含工作波长、馈源总辐射功率参数和要求的电性能参数； (2) 建立机电集成优化模型 从反射面天线结构参数信息中提取反射面背架辐射梁位置、尺寸与截面参数，将背架 辐射梁位置、尺寸与截面参数作为优化模型的设计变量，以反射面天线要求的电性能参数 为目标函数，依此建立反射面天线机电集成优化设计模型： Find X = {χ1; x2, ···, xM}T Min D(x) s. t. G (x) 0 其中，Find表示迭代运算，x表示结构设计参数列向量，Xp x2、. . .、xM依次表示编号为1、2、. ..、M的结构设计参数，Μ表示结构设计参数总数，上标T表示向量转置运算；Min表示 最小化运算，D(x)表示反射面天线要求的电性能参数，s. t.表示约束运算，G(x)表示根据 设计要求添加的约束函数； (3) 建立结构-电磁混合有限元模型 根据用户提供的结构参数，计算节点坐标，并根据天线反射面板、背架辐射梁、中心体 的结构参数选择梁单元、壳单元，获得梁单元和壳单元的尺寸、截面与厚度；根据用户提供 的电参数，获得壳单元的电磁时常数，其中包括理想电场强度；将此结构与电磁信息添加到 有限元软件中，建立结构-电磁混合有限元模型； (4) 求解结构-电磁混合有限元模型 针对已建立的结构-电磁混合有限元模型，添加结构位移、自由度约束或者边界条件； 根据反射面天线的载荷参数，在结构有限元模型上施加工作载荷；在此基础上，利用有限元 软件生成结构刚度矩阵，对结构有限元模型部分进行求解，获得节点位移、单元应力；利用 有限元软件生成一阶、二阶电磁刚度矩阵，并进行矩阵运算，获得工作载荷作用下的电场强 度增量； (5) 获得结构与电磁性能 在步骤（4)的基础上，获得天线节点位移、单元应力的结构性能；在步骤（3)与步骤 (4)的基础上，通过下式获得工作载荷作用下的电场强度：其中，J表示工作载荷作用下的电场强度，启w表示反射面天线的理想电场强度；表 示工作载荷作用下的电场强度增量，其通过下式获得：其中，j表示虚数单位，k表示自由空间波数，η表示自由空间波阻抗，exp表示自然对 数的指数运算，R表示远场观察点位置矢量幅度，:π表示圆周率，I"表示单位并矢，表示 单位矢量i的并矢，氏表示步骤（4)中结构-电磁混合有限元模型生成的一阶电磁刚度矩 阵，氏表示步骤（4)中结构-电磁混合有限元模型生成的二阶电磁刚度矩阵，δ表示求解 结构-电磁混合有限元模型后得到的节点位移列向量，S2表示求解结构-电磁混合有限元 模型后得到的节点位移乘积列向量； (6) 判断性能是否满足要求 判断电场强度是否满足用户在步骤（1)中指定的电性能要求，如果满足要求，则转至 步骤（9)，否则转至步骤（7); (7) 结构与电磁灵敏度分析 在步骤（4)和步骤（5)的基础上，通过下式获得电性能参数对结构设计参数的灵敏 度：、表示电性能对结构设计参数的灵敏度，D表示电性能参数，X表示结构设计参 数列向量，S表示求偏导数运算，：表示通过直接微分法获得的电性能参数对节点位移的 灵敏度，δ表示节点位移列向量，；表示节点位移对结构设计参数的灵敏度，通过下式获 得：其中，：_.表示节点位移对结构设计参数的灵敏度，δ表示节点位移列向量，X表示结 构设计参数列向量，9表示求偏导数运算，Κ表示步骤（4)生成的结构刚度矩阵，上标-1表 示矩阵求逆运算，Ρ表示步骤（4)中的工作载荷列向量； (8) 更新结构设计参数 采用基于灵敏度信息优化迭代方法，得到下次迭代的结构设计参数，更新结构设计参 数，转至步骤（3); (9) 输出结构设计方案。2.根据权利要求1所述的基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计方 法，其特征在于：步骤（7)中计算电性能参数对节点位移灵敏度的直接微分法计算过程如 下： 7a)从反射面天线结构性能信息中提取节点位移量，从馈源参数中提取馈源的总辐射 功率； 7b)通过下式计算单元法向矢量对节点位移的灵敏度信息：其中，I表示单元法向矢量对节点位移的灵敏度信息值，L表示步骤（3)中得到的壳单 元尺寸； 7c)按照下式计算电场强度对节点位移的灵敏度信息值：表示电场强度对节点位移的敏度信息值，f表示电场强度，S表示从反射面 天线结构性能信息中提取节点位移量，9表示求偏导数运算，j表示虚数单位，k表示自由空 间波数，η表示自由空间波阻抗，exp表示自然对数的指数运算，R表示远场观察点位置矢 量幅度，31表示圆周率，F表示单位并矢，表示单位矢量邊的并矢，.君_、笔表示中间计 算量，σi表示与节点相连的第i个投影正三角形，下标i表示投影正三角形编号；/了表示单 元法向矢量对节点轴向位移的敏度信息值，/7(/7)表示反射面位置矢量？处的入射磁场，p 表示反射面位置矢量，身表示远场观察点的单位矢量；及表示单元法向矢量，Q表示壳单元 上的形函数，9s表示位置矢量F在馈源坐标系下的俯仰角，下标s表示馈源坐标系，Θ表 示远场观察点俯仰角； 7d)按照下式计算电性能参数对节点位移的灵敏度信息值：其中，表示电性能参数对节点位移的灵敏度信息值，D表示电性能参数，δ表示从 反射面天线结构性能信息中提取的节点位移量，:9表示求偏导数运算，η表示圆周率，R表 示远场观察点位置矢量幅度，η表示自由空间波阻抗，ρ代表馈源总辐射功率，J表示步骤 (5)获得的电场强度，f+表示电场强度的共辄值，上标*代表共辄运算。3. 根据权利要求1所述的基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计方 法，其特征在于：步骤（8)所述的基于灵敏度信息优化迭代方法是一种基于灵敏度构建搜 索方向的优化迭代方法，其通用的计算公式如下： x(t+l)=x(t)+a(t)g(t) 其中，X(t+1)表示第t+1次迭代的反射面天线结构设计参数，t表示迭代次数，X(t)表示 第t次迭代的反射面天线结构设计参数，a(t)表示第t次迭代步长，g(t)表示由灵敏度信息 组成的迭代搜索方向。4. 根据权利要求1所述的基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计 方法，其特征在于：所述的步骤（1)所述的要求的电性能参数包括：增益、指向精度、副瓣电 平、半功率波瓣宽度、波束覆盖区域以及交叉极化电平。
【专利摘要】本发明公开了一种基于结构-电磁混合单元的反射面天线机电集成优化设计方法，步骤包括：1)输入反射面天线结构参数和电参数；2)建立机电集成优化模型；3)建立结构-电磁混合有限元模型；4)求解结构-电磁混合有限元模型；5)获得结构与电磁性能；6)判断性能是否满足要求；7)结构与电磁灵敏度分析；8)更新结构设计参数；9)输出结构设计方案。本发明通过采用结构-电磁混合单元建立反射面天线结构-电磁混合有限元模型，该有限元模型可以同时获得天线结构与电磁性能；该方法克服了现有技术的不足，具有计算时间少，收敛速度快的优点。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105302962
【申请号】CN201510725270
【发明人】张树新, 杨东武, 张逸群, 杜敬利, 李申
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月30日