© 2023 Erstellt championxperience.com blog.championxperience.com
Einführung
Radarantennen, insbesondere solche unter Radomen, müssen anspruchsvollen Feldbedingungen standhalten. Sie sind nicht nur statischen Belastungen wie Schwerkraft, Montagespannungen und Klemmkräften ausgesetzt, sondern auch Schwingungsanregungen durch Wind, Plattformbewegungen und andere Umwelteinflüsse. Die Aufrechterhaltung der Signalintegrität unter diesen Bedingungen ist entscheidend, da selbst geringfügige Verformungen die Systemleistung beeinträchtigen können.
Um diesem Problem zu begegnen, haben wir einen umfassenden Simulationsworkflow mit SOLIDWORKS und ANSYS Mechanical für ein Antennen-, Vorrichtungs- und Leiterplattensystem . Der Workflow kombiniert statische Strukturanalyse mit vorgespannter Modalanalyse und ermöglicht es Ingenieuren:
-
Auswertung der Verschiebungs- und Spannungsfelder unter statischen Lasten
-
Resonanzfrequenzen und Schwingungsmoden unter Vorspannung identifizieren
-
Beurteilen Sie potenzielle Risiken für die Signalstabilität
-
Informationen zu Designverbesserungen für einen zuverlässigen Betrieb
Dieser Ansatz gewährleistet, dass sowohl die strukturelle Robustheit als auch die dynamische Leistungsfähigkeit bereits in der frühen Entwurfsphase berücksichtigt werden.
Theoretischer Hintergrund
Eine Standard-Modalanalyse geht von spannungsfreiem Zustand aus. Strukturen sind jedoch häufig Vorspannungen ausgesetzt (Schwerkraft, Klemmkräfte, Schraubenvorspannung, thermische Belastungen). Diese Vorspannungen verändern die effektive Steifigkeit der Struktur über die geometrische (Spannungs-)Steifigkeit und beeinflussen so die Eigenfrequenzen und Schwingungsformen.
In der Praxis gilt:
– Zugvorspannung erhöht tendenziell die Eigenfrequenzen.
– Druckvorspannung kann sie verringern.
Dieser Effekt wird erfasst, indem eine statische Analyse mit einer Modalanalyse unter Berücksichtigung der Spannungssteifigkeit verknüpft wird.
Diese Methodik wird in den ANSYS Innovation Course-Unterlagen unter „Vorgespannte Modalanalyse“ empfohlen
Modellkonfiguration
Geometrie und Materialeigenschaften
Das Simulationsmodell besteht aus drei Hauptkomponenten:
PCB: Modelliert als FR-4 , ein orthotropes elastisches Material, das richtungsabhängige Steifigkeitseigenschaften erfasst.
FR steht für flammhemmend, und die Zahl 4 kennzeichnet glasfaserverstärktes Epoxidharz. Die Eigenschaften von FR4 variieren je nach Hersteller erheblich, obwohl es allgemein für seine mechanische Festigkeit und Wasserbeständigkeit bekannt ist. Dieses Material dient in Leiterplatten als Isolator, indem es benachbarte Kupferebenen voneinander trennt und gleichzeitig die Gesamtfestigkeit erhöht.
FR4-Laminatstruktur – Bildquelle: ProtoExpress
Vorrichtung: Aluminiumlegierung, die die Montagevorrichtung darstellt.
Grundplatte: Aluminiumlegierung, dient der strukturellen Unterstützung.
Abbildung 1: SolidWorks Antennenmodell.
Abbildung 2: Verbindungen zwischen Platten und Vorrichtung.
Um eine einheitliche Lastübertragung zu gewährleisten, wurden an allen Schnittstellen (Leiterplatte ↔ Vorrichtung ↔ Grundplatte) feste Kontakte definiert.
Lasten und Einschränkungen
- Drei feste Lager an der Unterseite der Stützpfeiler (Translationen + Rotationen fixiert).
- Globale Schwerkraft ≈ 9,8066 m/s².
- In dieser Phase kommen keine zusätzlichen Lasten (z. B. aerodynamische, thermische) hinzu.
Abbildung 3: Belastungen und Einschränkungen.
Diese Konfiguration gewährleistet, dass die Vorspannungsumgebung vor der dynamischen Analyse realistische Montagebedingungen simuliert.
Vernetzung & Solver-Auswahl
Ein verfeinertes Netz in kritischen Bereichen (Kantenübergänge, Schnittstellen) gewährleistet eine präzise Spannungsanalyse. Der statische Schritt ist linear-elastisch; der modale Schritt (Eigenwertanalyse) wird mit aktivierter Vorspannung durchgeführt und ist mit der statischen Lösung verknüpft. In ANSYS Mechanical muss die modale Vorspannung so eingestellt werden, dass die statische Lösung verwendet wird, und es muss ausgewählt werden, wie der Kontaktstatus weitergegeben wird (z. B. „Wahrer Status“, „Kraftgebunden“, „Krafthaftend“).
Abbildung 3: Netzdetails.
Statische (Vorspannungs-)Ergebnisse
Abbildung 4: Statische Gesamtstrukturverformung.
| Menge | Wert |
| Durchschnittliche Montagebelastung | ~ 2,58 × 10⁴ Pa (≈ 0,0258 MPa) |
| Verformung des Leiterplattenbereichs (Sonde) | ~ 5,07 × 10⁻⁵ m |
| Maximale Gesamtverformung | ~ 5,2 × 10⁻⁵ m (≈ 52 μm) |
| Max von Mises Stress | ~ 1,24 × 10⁵ Pa (≈ 0,124 MPa) |
Interpretation & Prüfungen:
-
Verformungen sind vernachlässigbar und liegen innerhalb der üblichen Toleranzen bei der Leiterplattenmontage.
-
Die Spannungsniveaus liegen sowohl für Aluminium als auch für FR-4 weit unterhalb der Materialfließgrenzen
-
Die Netzqualität wurde validiert, um unrealistische Spannungskonzentrationen in der Nähe von Kontaktstellen oder Einschränkungen zu vermeiden.
Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Baugruppe statischen Belastungen sicher standhält, bevor eine dynamische Schwingungsanalyse durchgeführt wird.
Ergebnisse der vorgespannten Modalanalyse
Abbildung 5: Modale Ergebnisse.
Die ersten sechs Eigenfrequenzen (mit Vorspannung) waren:
- 87,27 Hz
- 90,06 Hz
- 98,24 Hz
- 111,79 Hz
- 131,08 Hz
- 157,09 Hz
Beobachtung:
-
Niedrigere Schwingungsmoden deuten auf eine Biegung und Verformung der Leiterplatte hin .
-
Verbundene Schnittstellen und steife Einspannungen erhöhen die Gesamtsteifigkeit und verschieben die Frequenzen im Vergleich zu einer Standard-Modalanalyse ohne Vorspannung nach oben.
-
Diese Ergebnisse helfen dabei, Resonanzfrequenzen , was entscheidend ist, um eine Signalverschlechterung bei Betriebsschwingungen zu vermeiden.
Animation zur Darstellung der Leiterplattenbiegung
Video 1: Statische + modale Simulation zur Darstellung der Biegemoden von Leiterplatten.
Niedrigere Moden zeigen deutliche Verformungen der Leiterplatte bei Biegung/Verformung. Aufgrund der geklebten Grenzfläche und der steifen Einspannung verhält sich die Struktur steifer, was zu höheren Frequenzen führt. Ein Vergleich mit einer Modalanalyse ohne Vorspannung würde die durch die statische Last hervorgerufene Verschiebung verdeutlichen.
Gestaltungsleitfaden & Weitere Schritte
- Vergleichen Sie die Eigenfrequenzen mit den realen Anregungsspektren (Vibrationen, PSD, Windlasten) der Betriebsplattform.
- Führen Sie harmonische oder zufällige Schwingungsanalysen durch, indem Sie die Modalergebnisse verwenden, um erzwungene Antworten, Verstärkungsfaktoren und Ermüdungsspannungszyklen zu berechnen.
- Dämpfung oder Isolation (viskoelastische Schichten, Absorber, Schwingungsisolatoren) sollten dort eingesetzt werden, wo Resonanzspitzen mit Anregungsbändern überlappen.
- Führen Sie parametrische Studien durch, indem Sie Geometrie, Steifigkeit und Klebeanordnung variieren, um Resonanzen zu verschieben.
- Verfeinern Sie die Kontaktdefinitionen (z. B. Reibungs-/Gleitflächen) und führen Sie statische + modale Berechnungen erneut durch, um eine mögliche Steifigkeitsminderung unter dynamischen Lasten zu beurteilen.
- Vergleich mit experimentellen Modalanalysen zur Validierung von Frequenzen und Schwingungsformen anhand physikalischer Messungen.
Ausrichtung an bewährten Verfahren
Dieser Arbeitsablauf entspricht dem von ANSYS empfohlenen Vorgehen für die Modalanalyse unter Last: statisch → modal mit Spannungssteifigkeit. Die sorgfältige Übertragung des Kontaktzustands und die Einbeziehung der Vorspannung entsprechen offiziellen Tutorials und der Fachliteratur.
Abschluss
Diese Studie demonstriert einen vollständigen Simulationsworkflow für eine Antennen-Leiterplatten-Baugruppe , der Folgendes umfasst:
-
Motivation und strukturelle Anforderungen
-
Modellaufbau in SOLIDWORKS und ANSYS
-
Statische Vorspannungsanalyse
-
Vorgespannte Modalanalyse
-
Interpretation der Ergebnisse und Gestaltungshinweise
Durch die Kombination SOLIDWORKS für die Modellierung und ANSYS für die Simulation können Ingenieure die Leistung sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen vorhersagen , potenzielle Risiken identifizieren und Konstruktionsverbesserungen implementieren, die die Signalintegrität und Zuverlässigkeit im Feld gewährleisten.
Luft- und Raumfahrtingenieur für Konstruktion und Simulation im National Aerospace Science & Technology Park (NASTP)
Muhammad Ibrahim studiert Maschinenbau am Institut für Raumfahrttechnik mit Schwerpunkt auf CAD-Konstruktion und Ingenieursimulationen. Er beherrscht die Softwareprogramme SOLIDWORKS und ANSYS für Produktmodellierung und -analyse.
- Statische und modale Analyse einer Antennen-PCB-Vorrichtung in ANSYS - 9. Oktober 2025
Abonnieren
0 Kommentare
Älteste
