一种热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法与流程

1.本发明属于天线罩技术领域，具体涉及一种热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法。


背景技术：

2.在现代高技术局部战争需求的推动下，战斗机、导弹等飞行器正朝着更高速度方向发展，将成为争夺战场优势的主要手段和“杀手锏”武器。精确制导设备作为飞行器的“大脑”和“眼睛”，通常位于飞行器的最前端，大多采用射频探测制导技术以突出其全天候作战能力，从而对与之匹配的保护罩-天线罩的高性能提出了重大需求。
3.天线罩用于保护探测制导设备，位于飞行器的最前端，构成飞行器的气动外形，又是探测制导设备的一个重要耦合环节。天线罩通常主要由透波罩体和连接环组成，在大气层内高速飞行时，将承受相对最严酷的气动热、气动力载荷作用，且在飞行器作大机动时，将承受很大的惯性载荷作用。热载荷与力载荷联合作用会导致天线罩罩体材料介电特性变化及梯度分布、结构形变，进而改变天线罩电磁特性，最终影响整个探测制导系统的精度。
4.天线罩电性能数值仿真计算方法主要分为高频法和低频法(全波法)两类。高频法主要有几何光学法、物理光学法、平面波普法等，其利用高频近似理论来实现对电大尺寸结构的快速仿真计算，对计算资源要求低，但该方法作了很多近似假设、忽略了结构各局部区域之间的电磁耦合，理论模型较为粗糙，造成计算精度相对较低。低频法主要有时域有限差分法、有限元法、和矩量法等，其尽量保持数学上严谨、少作物理上近似，精确考虑了结构各局部区域之间的电磁耦合，计算精度高，但其计算效率相对较低、对计算资源要求高。随着计算机技术的迅速发展，电磁场全波数值计算方法在解决电大尺寸结构电磁计算方面的应用越来越广泛；其中，矩量法因求解对象只是各实体结构，无须求解天线罩包围空气体的电磁场，计算效率相对较高，尤为适合精确求解天线罩电性能等开域问题。
5.矩量法分为基于面等效原理的面积分方程矩量法和基于体等效原理的体积分方程矩量法两类。面积分方程矩量法适合于求解导体和均匀介质问题，其只需要对结构表面进行面网格划分，计算未知量相对较少，计算效率高，但对于非均匀介质，其难以体现介质内部介电特性的变化。体积分方程矩量法，其对结构实体进行体网格划分，能够很好的体现介质内部的介电特性变化，非常适合于非均匀介质问题，能够很好地描述热载荷诱发天线罩罩体材料介电特性梯度分布。
6.当前，热力载荷联合作用下天线罩电性能仿真的关键难点是如何实现将热力载荷造成的天线罩罩体材料特性变化和罩体结构形变信息高效、准确传递到天线罩电气仿真模型中，进而难以考虑热力电三场耦合作用，难以精确计算高速飞行中天线罩透波罩体受力变形及温度场诱发材料介电特性变化对其电气性能的影响。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供一种热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法，以
解决现有技术难以考虑天线罩受力变形及温度场诱发材料介电特性变化对其电气性能影响的高精度计算问题。
8.为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
9.第一方面，本发明提供一种热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法，包括：
10.a建立天线罩热、力、电仿真的共享网格模型；
11.b获得天线罩在外部热载荷作用下的瞬时温度场以及在热载荷和力载荷联合作用下形变后的共享网格模型的几何结构；
12.c细化形变后共享网格模型，获得电磁仿真网格模型；
13.d基于形变后的共享网格模型及其温度场，通过插值获得电磁仿真网格模型的温度场；
14.e将电磁仿真网格模型的几何结构信息和温度信息输出到电磁数值计算模块中，构建热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型；
15.f根据所述热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型进行全波仿真计算，获得热力电三场耦合下天线罩电性能。
16.在一个实施方式中，所述天线罩热、力、电仿真的共享网格模型包括：网格划分采用四面体单元，四面体单元尺寸由热力学仿真计算精度需求确定，该尺寸一般大于电磁仿真所需尺寸。
17.在一个实施方式中，所述热载荷条件为：随时间变化的冷壁热流、恢复焓和压力；或者，随时间变化的热壁热流；或者，随时间变化的温度。
18.在一个实施方式中，所述力载荷条件为气动压力和惯性载荷。
19.在一个实施方式中，将天线罩共享网格模型节点的原始三维坐标叠加上热力载荷作用下的形变量，继而生成天线罩共享网格模型变形后的节点三维坐标，获得所述形变后的共享网格模型的几何结构。
20.在一个实施方式中，利用网格剖分及细化技术，对天线罩形变后的共享网格模型进行进一步细化离散，获得所述电磁仿真网格模型；
21.在一个实施方式中，所述细化离散仍采用四面体单元，细化后的网格单元尺寸不超过罩体材料的十分之一介质波长；
22.在一个实施方式中，基于形变后的共享网格模型的节点坐标及其温度，利用线性插值技术，获得电磁仿真网格模型的节点温度；
23.在一个实施方式中，对电磁仿真网格模型的几何信息和各节点温度信息进行排序输出。
24.在一个实施方式中，所述对电磁仿真网格模型的几何信息和各节点温度信息进行排序是将透波罩体各四面体单元的单元编号、节点坐标和节点温度信息按一一对应关系进行排序后分别输出。
25.在一个实施方式中，所述构建热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型的步骤还包括：
26.1)创建若干个典型时间剖面的热力电三场耦合下天线罩电磁仿真网格模型；
27.2)获取四面体网格单元的温度，单元温度取其节点温度的均值；
28.3)根据材料属性随温度变化规律，赋予每个四面体网格单元相对介电常数和损耗角正切；
29.4)基于等效原理，以面网格离散方式，提取天线口面场的等效电磁流，或者包裹整个天线实体的封闭曲面上的等效电磁流，将每一网格面片上的电磁流看作等效辐射点源，来等效天线实体的辐射特性。
30.在一个实施方式中，根据所述热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型进行全波仿真计算，采用基于体等效原理的矩量法仿真计算电性能；
31.在一个实施方式中，采用基于体等效原理的矩量法仿真计算电性能，包括：
32.1)基于四面体网格模型，采用swg基函数(不限于此基函数)展开整个罩体结构内的电位移矢量；
33.2)基于体等效原理，建立电场方程；
34.3)根据加辽金法，采用swg基函数(不限于此基函数)为试函数，对电场方程进行测试，生成离散矩阵方程；
35.4)求解矩阵方程，获得罩体结构内的等效体电流；
36.5)根据天线等效辐射点源和罩体结构内的等效体电流，分别外推出无罩天线辐射远场、带罩天线辐射远场；
37.6)对比带罩天线和无罩天线远场方向图，进而获得天线罩电性能。
38.第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行上述第一方面所述方法的任一步骤。
39.本发明解决了如何将热力载荷造成的天线罩罩体材料特性变化和罩体结构形变信息向天线罩电气仿真模型准确传递的难题，实现热力电三场耦合下天线罩电气性能的高精度全波数值计算，可有效保证高速飞行器天线罩电性能设计的天地一致性。
附图说明
40.图1本发明热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法的流程图；
41.图2天线罩结构示意图；
42.图3天线罩热、力、电仿真的共享网格模型；
43.图4天线罩电磁仿真网格模型；
44.图5某一典型时间剖面天线罩罩体(1/2模型)温度场云图；
45.图6某一典型时间剖面天线罩罩体形变场云图；
46.图7swg基函数的定义；
47.图8飞行工况下典型时刻带罩天线方向图变化。
48.1.罩体2.连接环
具体实施方式
49.为了解决现有技术难以考虑高速飞行中罩体受力变形及温度场诱发材料介电特性变化对天线罩电气性能的影响的高精度计算问题，本发明实施例提供了一种热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法。
50.本发明实施例中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
51.在本文中提及的“多个或者若干个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
52.以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
53.实施例1
54.本发明具体涉及高速飞行器天线罩在其外部严酷的热力载荷环境下电性能特性的高精度计算方法。
55.如图1至图4所示，本实施例的一种热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法的步骤包括：
56.a建立天线罩热、力、电仿真的共享网格模型；
57.b获得天线罩在外部热载荷作用下的瞬时温度场以及在热载荷和力载荷联合作用下形变后的共享网格模型的几何结构；
58.c细化形变后共享网格模型，获得电磁仿真网格模型；
59.d基于形变后的共享网格模型及其温度场，通过插值获得电磁仿真网格模型的温度场；
60.e将电磁仿真网格模型的几何结构信息和温度信息输出到电磁数值计算模块中，构建热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型；
61.f根据所述热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型进行全波仿真计算，获得热力电三场耦合下天线罩电性能。
62.应用本实施的技术方案，解决如何将热力载荷造成的天线罩罩体材料特性变化和罩体结构形变信息向天线罩电气仿真模型高效、准确传递的难题，实现对热力电三场耦合作用下天线罩电气性能的高精度全波仿真计算，可有效保证高速飞行器天线罩电性能设计的天地一致性。
63.需要说明的是，在步骤a之前还包括通过试验确定天线罩材料物理属性随温度变化规律；上述的天线罩材料物理属性也可以为通过其它途径获取。上述的天线罩材料物理属性包括：相对介电常数、损耗角正切、导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量、泊松比和密度。在步骤a中，使用ansys multiphysics建立天线罩热、力、电仿真的共享网格模型；在步骤b中，基于ansys multiphysics的瞬态热分析模块，对天线罩共享网格模型进行瞬态热分析，获得天线罩在外部热载荷作用下的瞬时温度场，如图5所示；在步骤b中，根据天线罩高速飞行中力载荷条件和计算获得的温度场，基于ansys multiphysics的静力分析模块，计算在力载荷和温度场载荷联合作用下天线罩共享网格模型的形变，如图6所示；在步骤b中将天线罩共享网格模型节点的原始三维坐标叠加上热力载荷作用下的形变量，继而生成天线罩共享网格模型形变后的节点三维坐标，获得所述形变后的共享网格模型的几何结
构；在步骤c中，使用ansys multiphysics对形变后的共享网格模型进行细化离散，获得电磁仿真网格模型；
64.在本实施的技术方案中，天线罩热、力、电仿真的共享网格模型包括：网格划分采用四面体单元，四面体单元尺寸由热力学仿真计算精度需求确定，该尺寸一般大于电磁仿真所需尺寸，如图3所示。
65.在本实施的技术方案中，热载荷条件为：随时间变化的冷壁热流、恢复焓和压力；或者，随时间变化的热壁热流；或者，随时间变化的温度载荷。
66.在本实施的技术方案中，力载荷条件为气动压力和惯性载荷。
67.在本实施的技术方案中，将天线罩共享网格模型节点的原始三维坐标叠加上形变量，继而生成天线罩共享网格模型变形后的节点三维坐标，获得所述形变后的共享网格模型的几何结构。
68.在本实施的技术方案中，利用网格剖分及细化技术，对天线罩形变后的共享网格模型进行进一步细化离散，获得所述电磁仿真网格模型，如图4所示；
69.在本实施的技术方案中，共享网格模型细化离散仍采用四面体单元，细化后的网格单元尺寸不超过罩体材料的十分之一介质波长；
70.在本实施的技术方案中，基于形变后的共享网格模型的节点坐标及其温度，利用线性插值技术，获得电磁仿真网格模型的节点温度；
71.在本实施的技术方案中，对电磁仿真网格模型的几何信息和各节点温度信息进行排序输出。
72.在本实施的技术方案中，对电磁仿真网格模型的几何信息和各节点温度信息进行排序是将透波罩体各四面体单元的单元编号、节点坐标和节点温度信息按一一对应关系进行排序。排序后的信息以设定文件格式输出，设定文件格式包括txt文本、excel表格。
73.在本实施的技术方案中，构建热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型的步骤还包括：
74.1)创建若干个典型时间剖面的热力电三场耦合下天线罩电磁仿真网格模型；
75.2)获取四面体网格单元的温度，单元温度取其节点温度的均值；
76.3)根据材料属性随温度变化规律，赋予每个四面体网格单元相对介电常数和损耗角正切；
77.4)基于等效原理，以面网格离散方式，提取天线口面场的等效电磁流，或者包裹整个天线实体的封闭曲面上的等效电磁流，将每一网格面片上的电磁流js、ms看作等效辐射点源，来等效天线实体的辐射特性：
[0078][0079][0080]
其中为网格面片的单位外法向矢量，e为网格面片中心电场，h为网格面片中心磁场。
[0081]
在本实施的技术方案中，根据所述热力电三场耦合下天线罩电磁数值计算模型进行全波仿真计算，采用基于体等效原理的矩量法仿真计算电性能；
[0082]
采用基于体等效原理的矩量法仿真计算电性能的步骤包括：
[0083]
基于四面体网格模型，采用swg基函数(不限于此基函数)展开整个罩体结构内的电位移矢量，如图7所示，swg基函数定义在共用公共面的一对四面体上：
[0084][0085][0086]
其中，n为公共三角面序号，an是公共三角面的面积，分别是四面体的体积，是由四面体的自由顶点指向四面体内部点r的位置矢量，是由四面体内部点r指向四面体的自由顶点的位置矢量，d(r)为电位移矢量，dn为展开系数，为待求未知量。
[0087]
基于体等效原理，建立电场方程：
[0088][0089]
其中，
[0090][0091][0092][0093][0094]
r＝|r-r
′
|
[0095]
其中，r为场点位置，r
′
为辐射源位置，er为辐射点源到场点的位置矢量，ω为电磁场角频率，k为自由空间中的波数，g(r)为均匀无界空间格林函数，介质的复介电常数，ε0为自由空间的介电常数，μ0为磁导率。
[0096]
根据加辽金法，采用swg基函数(不限于此基函数)为试函数，对电场方程进行测试，生成离散矩阵方程：
[0097][0098]
求解矩阵方程，求解出电位移矢量的展开系数dn，进而获得罩体结构内的等效体电流：
[0099]
jv(r)＝jωκ(r)d(r)
[0100]
根据天线等效辐射点源和罩体结构内的等效体电流，分别外推出无罩天线辐射远场、带罩天线辐射远场:
[0101][0102][0103][0104][0105]
其中，为天线等效辐射点源产生的远场，即无罩天线辐射远场；为罩体内等效体电流产生的远场；为带罩天线辐射远场；r为远场距离，r
′
为辐射源位置矢量，er为辐射方向单位矢量，θ、分别为球坐标系下的离轴角和旋转角。
[0106]
对比带罩天线和无罩天线辐射远场方向图，如图8所示，进而获得天线罩电性能。
[0107]
基于相同的技术构思，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行一种热力电三场耦合下天线罩电性能全波数值计算方法。
[0108]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。