任兵銳，武織才，蘭 菲

(中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081)

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MSC Patran/Nastran軟件2.4m偏置柵格天線結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

任兵銳，武織才，蘭 菲

(中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081)

闡述了2.4米偏置柵格天線的建模、加載、及進(jìn)行力學(xué)分析的過程及結(jié)果，最后得出了天線整體在不同工作狀況時(shí)的變形及應(yīng)力數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)天線系統(tǒng)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

天線結(jié)構(gòu)；柵格天線；變形；有限元

0 引言

天線被廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航定位、雷達(dá)、射電天文、衛(wèi)星廣播電視等國(guó)防軍事，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。作為天線主體之一的天線結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中會(huì)受到重力、風(fēng)力、溫度等的影響，造成天線結(jié)構(gòu)形變，天線整體的形變直接導(dǎo)致天線電性能的降低，因此天線主體必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在要求的工況下不可發(fā)生破壞及影響正常使用的變形。當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，制造業(yè)企業(yè)面臨著縮短新產(chǎn)品研制周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的巨大壓力，有限元分析在此背景下得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成功運(yùn)用有限元分析技術(shù)可以有效提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。本文利用MSC Patran/Nastran軟件對(duì)不同工作狀態(tài)下的單偏置拋物面柵格天線進(jìn)行了力學(xué)仿真分析。

1 天線技術(shù)要求

根據(jù)電性能指標(biāo)和工作環(huán)境的要求，本天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如下：

俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：-3°～+5°

方位轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：135°

天線重量：≤500kg

天線風(fēng)荷：≤300kg(27m/s)

2 天線結(jié)構(gòu)

2.1 天線反射體的組成

單偏置拋物面柵格天線為車載天線，為了使得天線具有足夠的剛度、強(qiáng)度，而又不至過重超出指標(biāo)要求，所以天線結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。天線主反射體由背架及柵條構(gòu)成，天線背架則由雙層橢圓口無縫鋼管對(duì)焊組成框架，8根橫梁及8根縱梁沿反射體曲線趨勢(shì)空間交叉相貫，柵支板固定于橫縱梁節(jié)點(diǎn)處，作為柵條的支撐。天線主反射面由拉制成型的鋁制空心柵條構(gòu)成，重量輕，強(qiáng)度高，漏空度大，橫向間隔14mm沿理論拋物線均勻分布，有效降低了風(fēng)載荷。天線系統(tǒng)的饋源為懸臂式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用拉桿固定于反射體以增加強(qiáng)度，幾乎不產(chǎn)生對(duì)反射體的電信號(hào)遮擋，效率較高。在以上既要減輕重量又要保證剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提出了較高的要求。

2.2 天線座的組成

天線座主要由方位組合和俯仰組合構(gòu)成。方位組合由底座(鑄鋁)、方位軸承齒輪和方位轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)天線反射體的水平方向方位運(yùn)動(dòng)。俯仰組合由左右端板和俯仰圓筒組成，天線反射體通過俯仰端板與天線座連接，以實(shí)現(xiàn)垂直方向俯仰運(yùn)動(dòng)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 有限元模型的建立

圖2 天線結(jié)構(gòu)的有限元模型(俯仰角0°)

對(duì)2.4m柵格天線進(jìn)行有限元模型的分析，主要用于確定天線結(jié)構(gòu)在一定條件下的應(yīng)力、應(yīng)變，為保證天線系統(tǒng)的精度及可靠性，模擬找出天線結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和重量的平衡點(diǎn)。為了精確的再現(xiàn)復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)，在有限元分析軟件MSC Patran/Nastran中采取自底向上的建模方法,考慮到解算精度和軟件的計(jì)算量，對(duì)天線的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除部分小零件，刪除部分零件的倒角和連接孔等對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算精度影響不大的部分，將簡(jiǎn)化完畢的天線三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，對(duì)不同部分分配單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性、截面屬性等。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分并合理分配各部分網(wǎng)格的大小。根據(jù)天線各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用要求，采用了不同的單元，這樣，既可以保證仿真計(jì)算的精度又可以控制計(jì)算的規(guī)模。模型中，背架和柵支板采用梁?jiǎn)卧M,可以承受不同方向上的拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲影響，用殼單元模擬底座和方位轉(zhuǎn)盤可承受拉壓力，用實(shí)體單元模擬方位軸承可承受徑向及軸向壓力。俯仰部分由左右端板和俯仰圓筒組成，各部分都采用殼單元模擬所有的焊接和螺栓連接都被處理為剛性連接。節(jié)點(diǎn)總數(shù)：8692；單元總數(shù)：8504；單元種類包括梁，殼和實(shí)體等。

3.2 風(fēng)載的計(jì)算和施加

該天線系統(tǒng)為車載天線，所涉及的載荷主要包括風(fēng)力載荷、自重載荷、天線運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性載荷、溫度載荷等。本文只考慮風(fēng)力載荷和自重載荷。根據(jù)風(fēng)向的不同和天線俯仰角度的不同，計(jì)算時(shí)選取正面吹風(fēng)、背面吹風(fēng)和側(cè)面吹風(fēng)三種風(fēng)向，自重載荷由軟件給出重力加速度后，施加在整個(gè)有限元模型上。風(fēng)力載荷直接施加在柵條面板上。

風(fēng)力載荷由如下公式得來：

風(fēng)力F=CFqA

式中:

CF——為風(fēng)力系數(shù)，該系數(shù)與物體的形狀和雷諾數(shù)Re有關(guān)，可由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到。

v——風(fēng)速；

A——面板口徑面積；

風(fēng)載直接施加在面板上。根據(jù)《天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》可以得到天線反射體在不同風(fēng)向角下天線面板不同區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)。風(fēng)壓系數(shù)是由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的。

3.3 施加天線約束

柵格天線的底座通過螺母固定于車頂，因此分析計(jì)算天線反射面在自重載荷和風(fēng)力載荷作用下的變形，就可以將約束施加在和車頂相連的天線底座上,即使有限元離散后天線底座上的所有節(jié)點(diǎn)六個(gè)方向的自由度均為零。天線座與車體連接處全約束，如圖3所示。

圖3 天線約束

3.4 定義各項(xiàng)材料屬性

該天線材料采用Q235鋼和硬質(zhì)合金鋁。材料參數(shù)如表1所示：

表1 材料屬性

3.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工作條件和收藏條件，采用上述建立的天線有限元模型,在最大工作載荷(風(fēng)速27 m/s)作用下，選取五種不同的天線工作狀況，分別計(jì)算該天線在不同工作狀況時(shí)的剛度特性與強(qiáng)度特性,并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果作相應(yīng)的分析。

仿真分析中共計(jì)算了5種工況，圖(4-7)列出了第2、5、工況下變形及應(yīng)力圖。

表3 工作環(huán)境下最大位移、最大應(yīng)力

圖4 自重+27 m/s陣風(fēng)45度正吹變形

圖6 自重+27 m/s陣風(fēng)背吹變形

圖7 自重+27 m/s陣風(fēng)背吹應(yīng)力

3.6 結(jié)果分析

通過MSC Patran/Nastran求解計(jì)算,得到了天線結(jié)構(gòu)在最大工作載荷(風(fēng)速27 m/s)下的不同工作狀況時(shí)的天線變形與應(yīng)力, 從分析結(jié)果可以看出：在工作環(huán)境下(風(fēng)載：27m陣風(fēng))，天線最大位移16.1mm發(fā)生在自重+27 m/s陣風(fēng)背吹；最大應(yīng)力121Mpa發(fā)生在自重+27 m/s陣風(fēng)45度正吹，小于材料的許用應(yīng)力。滿足天線剛度特性上的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

綜上所述,本文對(duì)工作狀態(tài)下的2.4m偏置柵格天線進(jìn)行了有限元建模及力學(xué)分析，所得分析結(jié)果，可以指導(dǎo)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大縮短了研發(fā)設(shè)計(jì)的周期，可以對(duì)該天線系統(tǒng)在生產(chǎn)裝配過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不合理的地方，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。有限元分析對(duì)工程的順利完成起到了重要的作用，為天線結(jié)構(gòu)的合理化設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

[1] 段寶巖．天線結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化與測(cè)量[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

[2] 趙汝嘉．機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1990.

[3] 葉尚輝. 建立有限元模型的一般方法[J]. 電子機(jī)械工程，1999.

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Structure analysis of 2.4 meters offset grid antenna in MSC Patran/Nastran

REN Bing-rui，WU Zhi-cai，LAN-fei

(ChinaCommunicationSystemCo.,Ltd.HebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China)

In this paper，the 2.4 meters offset grid antenna modeling, loading, and the process and results of mechanical analysis are described,the deformation and stress data of the whole antenna in different working conditions are obtained.Provide strong data support for the structural and electrical designers to optimize the antenna system.

Antenna structure; Grid antenna; Deformation; Finite element

2016-08-24

任兵銳(1978-)，男，學(xué)士,主要研究方向：天線產(chǎn)品工藝研究.

1001-9383(2016)03-0023-06

TN820

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