Introduzione

Le antenne radar, in particolare quelle alloggiate sotto i radome, devono resistere a condizioni operative difficili. Sono esposte non solo a carichi statici, come la gravità, le sollecitazioni di montaggio e le forze di serraggio, ma anche a vibrazioni dovute al vento, al movimento della piattaforma e ad altri fattori ambientali. Mantenere l'integrità del segnale in queste condizioni è fondamentale, poiché anche piccole deformazioni possono compromettere le prestazioni del sistema.

Per risolvere questo problema, abbiamo sviluppato un flusso di lavoro di simulazione completo utilizzando SOLIDWORKS e ANSYS Mechanical per un sistema Antenna + Jig + PCB. Il flusso di lavoro combina l'analisi strutturale statica con l'analisi modale precompressa, consentendo agli ingegneri di:

• Valutare i campi di spostamento e di stress sotto carichi statici

• Identificare le frequenze di risonanza e le modalità di vibrazione sotto pre-sollecitazione

• Valutare i potenziali rischi per la stabilità del segnale

• Informare sui miglioramenti della progettazione per un funzionamento affidabile

Questo approccio garantisce che la robustezza strutturale sia le prestazioni dinamiche nella fase iniziale della progettazione vengano presi in considerazione

Contesto teorico

Un'analisi modale standard non presuppone alcuna sollecitazione iniziale. Tuttavia, le strutture spesso operano sottoposte a pre-sollecitazione (gravità, forze di serraggio, precarico dei bulloni, carichi termici). Questa pre-sollecitazione modifica la rigidezza effettiva della struttura attraverso la rigidezza geometrica (sottoposta a sollecitazione), alterando le frequenze naturali e le forme modali.

In pratica:
– La precompressione a trazione tende ad aumentare le frequenze modali.
– La precompressione a compressione può diminuirle.
Questo effetto viene catturato collegando un'analisi statica a un'analisi modale che includa la rigidezza dovuta alle sollecitazioni.

Questa metodologia è consigliata nei materiali del corso ANSYS Innovation nella sezione "Analisi modale precompressa"

Impostazione del modello

Geometria e proprietà dei materiali

Il modello di simulazione è costituito da tre componenti principali:

PCB: modellato come FR-4, un materiale elastico ortotropo, che cattura le proprietà di rigidità direzionale.

FR sta per ritardante di fiamma, mentre il numero 4 indica la resina epossidica rinforzata con fibra di vetro intrecciata. Le caratteristiche dell'FR4 variano notevolmente a seconda del produttore, sebbene sia comunemente noto per la sua resistenza meccanica e impermeabilità. Questo materiale funge da isolante nei PCB isolando i piani di rame adiacenti e garantendo al contempo una resistenza meccanica complessiva.

Struttura laminata FR4 – Immagine sorgente da ProtoExpress

Jig: lega di alluminio, che rappresenta il dispositivo di montaggio.

Piastra di base: lega di alluminio, che fornisce supporto strutturale.

Figura 1: Modello di antenna SolidWorks .

Figura 2: Collegamenti tra piastre e Jig.

Sono stati definiti contatti incollati su tutte le interfacce (PCB ↔ Jig ↔ Piastra di base) per garantire un trasferimento del carico unificato.

Carichi e vincoli

• Tre supporti fissi sulla parte inferiore dei pilastri di sostegno (traslazioni + rotazioni fisse).
• Gravità ≈ 9,8066 m/s² applicata globalmente.
• In questa fase non sono previsti carichi aggiuntivi (ad esempio aerodinamici, termici).

Figura 3: Carichi e vincoli.

Questa configurazione garantisce che l' ambiente di pre-sollecitazione imiti condizioni di assemblaggio realistiche prima dell'analisi dinamica.

Scelte di meshing e risolutore

Una mesh raffinata nelle zone critiche (transizioni di bordo, interfacce) garantisce un'accurata cattura delle sollecitazioni. Il passo statico è elastico lineare; il passo modale (autovalori) viene eseguito con Prestress abilitato, collegato alla soluzione statica. In ANSYS Mechanical, è necessario impostare il parametro modale "Pre-Stress Defined By" per utilizzare la soluzione statica e scegliere come si propaga lo stato del contatto (ad esempio, True Status, Force Bonded, Force Sticking).

Figura 3: Dettagli della mesh.

Le prime sei frequenze naturali (con pre-stress) erano:

1. 87,27 Hz
2. 90,06 Hz
3. 98,24 Hz
4. 111,79 Hz
5. 131,08 Hz
6. 157,09 Hz

Osservazione:

• Le modalità di vibrazione inferiori mostrano piegatura e deformazione del PCB.

• Le interfacce incollate e i vincoli rigidi aumentano la rigidità complessiva, spostando le frequenze più in alto rispetto a un'analisi modale standard senza pre-sollecitazione.

• Questi risultati aiutano a identificare le frequenze di risonanza, che sono fondamentali per evitare il degrado del segnale in caso di vibrazioni operative.

• Autore
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Muhammad Ibrahim

Ingegnere di progettazione e simulazione aerospaziale presso il Parco nazionale di scienza e tecnologia aerospaziale (NASTP)

Muhammad Ibrahim è uno studente di Ingegneria Meccanica presso l'Institute of Space Technology, specializzato in progettazione CAD e simulazioni ingegneristiche. È esperto nell'utilizzo di SOLIDWORKS e ANSYS per la modellazione e l'analisi di prodotti.

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