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玻璃钢壳体电子性能预测技术研究 2010年3月 玻璃钢壳体电子性能预测技术研究 于霖冲,焦俊婷,林树枝,王石榴4 (1.厦门理工学院,厦门361024;2.jE京航空航天大学,北京100083; 3.厦门市建设与管理局,厦门361000;4.嘉应学院,梅州514015) 摘要:研究目的为通过人工神经网络方法预测玻璃钢天线罩的电子性能。建立具有非线性逼近能力的径向基函数 (RBF)神经网络,根据试验得到的不同厚度玻璃钢平板,不同入射角的透波率数据,对神经网络进行训练。按照给定的玻璃钢 天线罩内外表面数据计算入射角范围和罩壁厚度,并对玻璃钢壳体进行电子性能预测。计算结果与试验数据十分近似,表明 该方法预测精度高,训练速度快,为玻璃钢电子性能设计和分析提供了一种实用有效的方法。 关键词:玻璃钢;天线罩;神经网络;预测 中图分类号:TB33;TP183 文献标识码:A ——— 文章编号:10030999(2010)02005603 玻璃钢壳体广泛应用在航空、航天、交通运输等 装备制造领域,例如机载雷达罩、导弹天线罩、汽车 覆盖件、建筑屋面等。玻璃钢壳体在设计制造过程 中不但有几何外形要求和机械性能(刚度、强度、稳 定性)要求,而且还有电子性能(透波率)要求。玻 璃钢壳体的外形、壁厚、内形等设计要素受到气动、 载荷、电气等多方面约束,同时又受到玻璃钢壳体附 件(紧固件)和外部涂层材料等许多不确定因素的 影响,其电子性能的设计十分复杂且尤为重要。对 于航空航天领域应用的玻璃钢壳体,电子性能的设 计要求更加突出,玻璃钢壳体的几何形状影响入射 角的范围,玻璃钢壳体的厚度影响透波率的大小,这 些都会影响电子信号的传输距离和传输精度。 通常情况下,对于电子性能要求很高的玻璃钢 壳体需要生产试验件,模拟真实工作环境,经过反复 的性能测试、形状修改后,最终确定玻璃钢壳体的几 何外形、厚度和内形。然后再根据试验样件的数据, 对天线罩进行逆向工程设计。这种试验和制造方法 既浪费资源,又难以满足玻璃钢壳体的电子性能设 计。本文采用神经网络技术,对某玻璃钢天线罩进 行电子性能设计并模拟天线罩电子性能试验,预测 了玻璃钢天线罩的电子性能,取得了良好的效果。 预测结果十分接近试验数据,为玻璃钢壳体的电子 性能设计提供了一种有效的方法。 l玻璃钢天线罩电子性能设计 玻璃钢天线罩既是一种结构部件又是一种电子 部件,电磁波束在经过天线罩透射时,会产生波束的 折射和反射,引起电磁波束的衰减、畸变和相位偏移¨ 。天线罩的电子性能设计就是在满足玻璃钢 壳体机械性能要求的同时获得玻璃钢壳体最佳的电 子性能,即电磁波束在经过天线罩透射时,波束的衰 减、畸变和相位偏移最小,以便获得最大的透波率, 进而得到最佳的传输距离和传输精度。 1.1玻璃钢天线罩电子性能设计流程 玻璃钢天线罩的流线外形和变化的罩壁厚度使 天线罩电子性能设计和分析相对机械Jf生能设计复杂 很多。通常情况下,天线罩的外形数据由飞机或导 弹总体设计给出离散数据点,通过电性能设计得到 天线罩初步的罩壁厚度,再通过结构分析进行强度、 刚度以及稳定性的校核,确定天线罩各个截面的罩 壁厚度,然后再根据天线罩外部拟合曲面以及各个 截面的罩壁厚度确定天线罩的内部曲面。 对于满足机械性能要求的玻璃钢天线罩进行电 子性能设计和分析,由于天线罩内外曲面的拟合误 差对罩壁厚度和入射角范围影响很大,而罩壁厚度 和天线罩内形受到天线罩外形的严格限制,因此天 线罩电子性能的设计是围绕着罩壁厚度和入射角进 行的。根据参考文献[1],单层罩壁天线罩采用半 波长壁厚结构的设计公式为: 以 nAo (1)… … rt=1,2,3, 式中,d为介质半波长壁厚的厚度;A。为雷达 天线辐射波的波长;为介质的介电常数;Oo为辐 射波在介质分界面的入射角。 式(1)的物理意义是让玻璃钢平板的前表面反 收稿日期:2009-02-01 基金项目:福建省教育厅科研项目(JA07184);嘉应学院科研项目(07KJ33);厦门理工学院引进人才项目(YKJ08001R) 作者简介:于霖冲(1968.),男,博士后,主要从事结构非线性分析、结构可靠性研究工作。 囊 2010年第2期 玻璃钢/复合材料 57 射与后表面反射幅度相同、相位相反,从而减少电磁 波的衰减、畸变和相位偏移,因此得到壁厚为最佳壁 厚。在满足式(1)情况下,透波率最大与反射量最 小的条件是一致的,无论平行极化波还是垂直极化 波的最佳半波长壁厚也是一致的。 1.2玻璃钢天线罩电子性能预测分析方法 通过式(1)可知,为适应不同入射角,玻璃钢天 线罩应为不等厚壳体。即:入射角确定以后,可以得 到该入射角对应的罩壁厚度,进而求出雷达罩沿对 称轴线的壁厚分布。玻璃钢雷达罩各位置最佳入射 角的试验数据(玻璃钢介电常数为4.1,厚度用电厚 度d/A表示)如图1所示,其中横坐标为电厚度, 纵坐标为透波率。一, }=、\ 边///\,厂—— /|| //f |1:砷|| ||—— { 《.f} \// \ f ||—— 、 图1不同厚度玻璃钢平板试验数据 根据图1的试验数据,玻璃钢材料的电厚度和 入射角数据对应着透波率数据,但是在实际情况 下,受到试验条件和试验成本的限制,很难做到实 验数据的连续。因此,利用试验数据对不同厚度, 不同入射角的透波率进行预测分析,分析结果对 玻璃钢天线罩的电子性能设计有十分重要的工程 实际意义。 本文采用神经网络方法进行玻璃钢天线罩电子 性能预测分析,将电厚度和入射角数据以及透波率 数据作为样本数据,建立神经网络拓扑结构,并给定 训练误差。利用样本数据训练构建的神经网络。神 经网络在收敛后,用已知试验数据进行精度验证,也 可以预测未知电厚度和入射角对应的透波率。 2预测神经网络的构建和原理 2.1RBF神经网络拓扑结构 神经网络预测技术包括以下三个方面的内 容_2j:预测数据的模拟采样、预测神经网络拓扑结 构的构建和预测学习算法的采用。基于神经网络的 预测方法主要有在线预测和离线预测两种,前者对 于实时控制有重要意义,要求计算速度快,因而预测 精度较低;后者对非线性系统分析有重要意义,预测 精度高,本文采用的预测方法为离线预测。典型的 RBF预测神经网络拓扑结构一般为三层,包括输入 层、隐含层和输出层,如图2所示。 图2RBF神经网络的拓扑结构 图2中,(i=1,n)、Yj(J=1,m)分别为RBF神 经网络的输入层的输入数据和输出层的输出数据;∞ 为连接权值矩阵;C为Gauss函数中心;or为函 数宽度。 RBF神经网络的非线性预测能力由隐含层基 函数实现,RBF隐含层基函数主要包括:Gauss函 数、薄板样条函数、多二次函数和逆多二次函数等, 本文采用的隐含层基函数是最常用Gauss函数: G(1lz):f_ 1(2) \A- O" / 在式(2)中,IJ・IJ表示范数。 2.2RBF神经网络的预测原理 RBF神经网络进行参数预测时采取离线学习 策略,即采集试验的离散数据点进行神经网络训练, 适合本文的试验条件和试验数据。本文采用的训练 算法为递归正交最小二乘法ROLS(RecursiveOr- thogonalLeastSquare),ROLS算法是对OLS算法的 改进,算法的计算过程可以描述为]: 设输入样本数据为向量)(T,相应的期望输出数 据为向量Y,则输人向量X相对于第个隐含层节 点的输出为: — =IJxClI) (3) 则隐含层输出矩阵为:= []=[… 1 (4) 当输入第i-1组学习样本:“ “∞“ Y= (5) 期望输出为: “ Y:Y+e (6) 为使误差e小于给定误差,可以建立求解递推 ∞ 公式求出连接权值矩阵,试验数据对已知数据的 训练成果和对未知数据的预测能力就存储在连接权¨ ;∽ ∞ HcM2Olo・No.2 {至 58 玻璃钢壳体电子性能预测技术研究 2010年3月 ∞ 值矩阵中,具体推导过程见文献2。 3变厚度天线罩电子性能预测分析 3.1预测神经网络的训练 建立如图2所示的RBF神经网络,输入层神经 元2个,输出层神经元一个,隐含层神经元30个。 采集120组数据,将精度设为0.0001,RBF神经网 络很快收敛。 利用已知试验数据对收敛的神经网络进行验 证,将图1中不同电厚度的人射角为60。的试验数 据作为验证数据,结果如图3所示:/ 一试验数据一 预渭数据 图3神经网络对已知数据的预测 图3中,纵坐标为透波率,横坐标为电厚度。对 于已知数据的最大预测误差为0.26,最大预测相对 误差为0.2881%。证明神经网络的预测误差很小, 预测精度很高。 3.2预测网络的计算结果 根据给定的玻璃钢天线罩模型(如图4所示) 以及雷达天线孔径面坐标,可以求出入射角范 围j,本文采用算例的入射角范围为0。一60。。将 试验数据按照均匀分布原则,选取曲线上的离散点 作为期望输入样本数据,并将对应的透波率离散有 序的数据作为RBF神经网络期望输出样本数据。 图4天线罩的三维模型 将天线罩顶部、两侧和底部的电厚度数据作为 神经网络的输入数据,得到透波率预测结果如图5 所示。由于天线罩为左右对称结构,天线罩两侧的 入射角和厚度相同,因此透波率也相同。— 罂罄 *宸部 图5神经网络对未知数据的预测 图5中,纵坐标为透波率,横坐标为电厚度。根 据图5的透波率预测数据,可以计算玻璃钢天线罩 在不同部位、不同罩壁厚度的透波率。 4结论 (1)通过玻璃钢壳体电子性能预测的实例,证 明RBF神经网络具有很强的非线性函数预测能力, 可以作为复杂系统建模和预测工具。这种方法利用 RBF神经网络预测技术,计算速度快,精度高; (2)这种方法有很强的拓展性和通用性,若将 不同入射角、不同电厚度的试验数据作为神经网络 的训练数据,收敛以后的神经网络会对不同入射角、 不同电厚度的玻璃钢壳体进行透波率的预测,为玻 璃钢壳体的电子性能设计和分析提供参考。 参考文献 [1]杜耀惟.天线罩电信设计方法[M].北京:国防工业出版社,1993. [2]阎平凡,张长水.人工神经网络与模拟进化算法[M].北京:清 华大学出版,2000. [3]于霖冲.复合材料机载雷达罩机电性能设计技术的研究[J].沈 阳航空工业学院学报,2000,17(3):42-43. [4]葛建华,王迎军,郑裕东.人工神经网络在材料科学与加工中的 应用[J].现代化工,2003,23(1):59-62. [5]焦俊婷,于霖冲.基于ANN的复合材料变厚度壳体固化变形预 测[J].玻璃钢/复合材料,2006,(o5):3-4. [6]焦俊婷,于霖冲.基于RBF的玻璃钢天线罩逆向工程曲面重构 [J].玻璃钢/复合材料,2007。(01):6-8. PREDICTIoNRESEARCHoNTHEELECTRICALPERFoRIANCEoFFRPSHELL — — — — YULinchong,JIAOJunting,UNShuzhi,WANGShiliu (1.XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China;2.BeihangUniversity,Beijing100083,China; 3.ConstructionandManagementBureauofXiamen,Xiamen361000,China; 4.JiayingUniversity,Meizhou514015,China) (下转第88页) 88 超声相控阵技术在复合材料检测上的应用 2010年3月 域的扫描图像中底面反射波消失,即缺陷的存在导 致底面反射波消失。 对样板进行打孔注胶修复,待固化后再对样板 缺陷修复区域进行检测。仪器调试及检测步骤同 上。扫描图像如图5所示。 图5样板修复反缺陷区域扫描图像 从图5中可以看到,修复后的样板缺陷区域扫 描波形中,底面反射波清晰可见。所以通过对复合 材料样板无缺陷区域扫描图像、缺陷区域扫描图像 以及修复后缺陷区域扫描图像的对比可以看出超声 相控阵技术在复合材料检测上有良好的应用。 4结束语 随着复合材料在各领域的广泛应用,复合材料 的检测技术也随之发展。超声相控阵检测技术的发 展为复合材料的检测提供了良好的条件。从上述对 复合材料粘接试验可以看出,超声相控阵技术可以 通过反射波很好地显示出其缺陷所在。所以,超声 相控阵技术在复合材料检测上的应用必定有长远的 发展。 参考文献 [1]VonRammOT,SmithSW.Beamsteeringwithlin-eararrays[J]. — IEEETransactionsonBiomedicalEngin・eering,1983,30(8):438 452. — [2]RitterJ.UniversalphasedarrayUTprobefornon-destructiveexilmi — nationsusingcompositecrystaltechnology[J].Th ̄2Joumalof NondestructiveTesti・ng,ViNqXV.ndLnet,2000,5(9). [3]ErhardA,SchenkG,eta 1.Ultrasenicphasedarrayteeb.2niquefor austeniticweldinspection[A].Procofthe15thWCNDT[M]. Rome:2000,192. [4]LawrenceAzar.Exper imentalcharacterizationofuhrasenicphasedill'- raysforthenondestructiveevalu-ationofconcretestructures[J]. — MaterialsEvaluation1999,57(2):134135. [5]LangloisJocelyn.Useofflexibleultrasonicarraysininspee2t ion[J]. Thee2JoumalofNondestructiveTeIlg,www.ndLnet,1999,4 (3). [6]钟志民,梅德松.超声相控阵技术的发展及应用[J].无损检测, 2002,24(2):69-71. [7]唐桂云等.先进复合材料的无损检测[J].纤维复合材料,2OO6, 3(1):33. [8]蒋志峰等.复合材料孔隙含量超声检测系统的设计研究[J].玻 璃钢/复合材料,2009,207(4):27-31. ’ ’ULTRAS【JICPHASEDARRAY。IECH0L0GYlTHEDEl_’’ ECIIoN oFCoM口E.OSrrEM_ATERLSAPPLICATION — — — LIHuaifu,LIYeshu,LVGuiping,TIANKa-jia (1.SinomatechWindPowerBladeCo.,Ltd.,Beijing102101,China; 2.BeijingTimesTianchuangTestingEquipmentCo.,Ltd.,Beijing100080,China) ’ Abstract:I'hispaperdescribesultrasonicphasedarraytechnologySpr incipleandcharacteristics.Throughthe ultrasonicphasedarraytechnologytomodelcompositetestbondingdefectsonultrasonicphasedarraytechnologyin thedetectionofcompositematerialsapplications. Keywords:phasedarray;compositematerials (上接第58页) Abstract:Theaimoftheresea rchistopredicttheelectricalperformanceofFRPradomeviaartif icialneural network.First,theradialbasisfunction(RBF)withstrongcapabilityofnonlinearapproximationWas constructed.Then,RBFWa strainedbyexperimentaldataincludeincidenceangle,tra nsmittanceandthicknessof FRPradome.nleincidenceanglesand山icknesswerecalculatedwhentheexternalandinnersurfacedataofFRP radomeweregiven.Atlast.t heelectricalperfor manceofFRPradomewaspredictedbyt — hetrainednetwork.ere suhsprovedtheprecisionofpredictionwasprecise.thetrainrateofRBFneuralnetworkwasfast.rhemethodwas valuableforradomedesignandanalysis. Keywords:FRP;radome;neuralnetwork;prediction
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