微波通訊用拋物面天線工作狀態(tài)的風(fēng)載荷分析

張　瑾，陳向陽，劉力紅，蔣　燕

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽　淮南　232001；2.西安普天天線有限公司，陜西　西安　710048)

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微波通訊用拋物面天線工作狀態(tài)的風(fēng)載荷分析

張瑾1，陳向陽1，劉力紅1，蔣燕2

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.西安普天天線有限公司，陜西西安710048)

摘要：為避免風(fēng)荷在天線面上產(chǎn)生作用力影響天線正常使用，從實(shí)際的技術(shù)指標(biāo)出發(fā)，針對工作狀態(tài)的微波通訊用天線在風(fēng)荷作用下可能產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對其風(fēng)荷作用下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，得出了不同工況下天線結(jié)構(gòu)各部件的應(yīng)力應(yīng)變情況。對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變的最大部位進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)，觀察是否發(fā)生變形和破壞。通過兩種方法對比驗(yàn)證了天線設(shè)計的可靠性，為拋物面天線在不同風(fēng)荷下的可靠使用提供了理論支持，指導(dǎo)該類型拋物面天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：拋物面天線；風(fēng)載荷；有限元法；應(yīng)力應(yīng)變

天線作為最基本的接收、發(fā)出信號的工具，被廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度是否滿足技術(shù)指標(biāo)的要求對整體性能有著極其重要的影響[1]。由于天線在露天環(huán)境下工作，風(fēng)荷是影響天線性能最重要的載荷，風(fēng)荷在天線面上產(chǎn)生相當(dāng)大的作用力，如果天線設(shè)計的剛度和強(qiáng)度不夠，將會產(chǎn)生大的變形甚至破壞，影響天線正常使用。所以有必要對天線在風(fēng)載作用下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究，檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)的可靠性[2-4]。

本文以口徑φ1.3 m的微波通訊用拋物面天線為例，采用UG軟件建立三維實(shí)體模型，并導(dǎo)入ANSYS中對天線結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)載荷下的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，求解天線結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的力學(xué)特性。為微波通訊用拋物面天線在不同風(fēng)荷條件下的可靠使用提供了理論支持。

1φ1.3 m拋物面天線有限元模型

1.1　結(jié)構(gòu)簡介及有限元模型

整個天線系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的裝配體，包含的零件非常多，零部件之間的裝配方式也是多種形式，考慮到有限元模型復(fù)雜程度及運(yùn)算，在建模時對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化。這里簡要介紹與結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度關(guān)系比較緊密的部分：口徑為φ1.3 m的天線反射面與中心盤、反射面和圍子、圍子與罩板均通過鉚釘連接；中心盤和掛架通過螺栓連接，且掛架又通過螺栓緊固在抱柱上。

天線罩板、圍子、拋物反射面均為薄壁結(jié)構(gòu)，厚度比其它尺寸小得多，因此在ANSYS中選用SHELL63號單元。中心盤、彎板和掛架選用solid45號單元構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)及有限元模型如圖1所示。

1.2　材料性能及部件應(yīng)用

根據(jù)文獻(xiàn)[5]查得φ1.3 m拋物面天線各部件的材料力學(xué)性能如表1所示。

表1　天線結(jié)構(gòu)各部件材料力學(xué)性能

2天線系統(tǒng)承受風(fēng)荷的計算

天線所受載荷大致有以下幾種類型[6-7]：①風(fēng)荷；②重力；③慣性載荷；④氣候載荷；⑤其他載荷。而風(fēng)荷是其中最重要、起決定性作用的載荷。由于風(fēng)速隨時間做無規(guī)則的變化，因此風(fēng)荷是一種動荷。物體所受的風(fēng)力一般很難用理論來計算，通常通過實(shí)驗(yàn)的方式來解決[8]。風(fēng)力F與流體密度ρ，流速v，流體的粘性μ，物體的主要尺寸D有關(guān)，于是可寫成

F=F(v，ρ，μ，D)

(1)

用因次分析法可以得出下列關(guān)系式

(2)

因?yàn)镈2∝A，A為物體的特征面積。故上式可寫成

(3)

ρvD稱為雷諾數(shù)，以Re表示，它是表示流動狀態(tài)的一個無因次數(shù)。于是上式表示為

(4)

(5)

式中：v為風(fēng)速，m/s；q為風(fēng)壓kN/m2。這樣風(fēng)力計算公式寫成

(6)

本次模擬共研究了在風(fēng)速25 m/s及55 m/s(生存風(fēng)速)下風(fēng)向角α為0°、35°、70°、92°、180°五種工況時天線的受力情況。計算采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，天線結(jié)構(gòu)所在坐標(biāo)系及風(fēng)向角α如圖2所示。

風(fēng)向角α不同，所受載荷大小不同。天線承受的風(fēng)壓與風(fēng)速有關(guān)，其大小按公式(6)計算[9]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)型式及風(fēng)向角α不同，受到的風(fēng)載作用力可以分為軸向力和橫向力。按照《面天線行標(biāo)》規(guī)定，軸向力、橫向力計算公式如式(7)。

(7)

式中：FA分別為軸向作用力，N；FS為橫向作用力，N；A為天線正面面積，A=1.267m2；V為風(fēng)速，單位為m/s；CFA，CFS為軸向風(fēng)力系數(shù)和側(cè)向風(fēng)力系數(shù)扭力矩系數(shù)。要求在V=25m/s風(fēng)速下正常工作，V=55m/s風(fēng)速下不破壞，則不同工況下對應(yīng)的計算值如表2所示。

表2　5個工況風(fēng)壓系數(shù)與載荷表

根據(jù)上表中的值，分別對工作狀態(tài)的天線面進(jìn)行加載。在ANSYS結(jié)構(gòu)分析中，一般單元的面載荷施加在面的法線方向。由于φ1.3 m拋物面天線的圍子(圓柱面)和反射面(旋轉(zhuǎn)拋物曲面)在實(shí)際情況中所受的風(fēng)荷并非均布載荷，網(wǎng)格劃分后側(cè)罩和反射面上所承受的載荷施加在單元的法線方向[10-12]，如圖3所示。這種方法可以考慮到天線結(jié)構(gòu)體型變化造成的各處受力不均等的情況，使得計算結(jié)果比較準(zhǔn)確。天線各部件加載完成后進(jìn)行求解。

3天線結(jié)構(gòu)各工況的應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1　天線結(jié)構(gòu)各工況的應(yīng)力分析

表3　天線整體結(jié)構(gòu)在各工況下的max最大值

3.2　天線結(jié)構(gòu)各工況的應(yīng)變分析

天線電性能的工作精度主要取決于天線反射面表面形狀的精度。因此變形反射面的均方根誤差是判斷天線結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足電性能要求的主要依據(jù)，計算公式為[13]

(8)

式中：UY為反射面上各點(diǎn)的軸向變形值，PUY為UY的均值，N為節(jié)點(diǎn)數(shù)。該天線結(jié)構(gòu)的接收頻段為f1=3～9 GHz，f2=10～16 GHz，f3=17～24 GHz，f4=25～40 GHz。由公式頻率與波長的換算公式知最短波長λ

天線在25 m/s風(fēng)速下要正常工作，根據(jù)天線效率的要求，反射面的表面軸向均方根誤差一般不得超過最短接收波長的1/60～1/30[14]，所以該波段天線表面均方根誤差不得超過0.125～0.25 mm。在25 m/s風(fēng)速下，各工況最大軸向位移均方根誤差如表4所示。圖6為反射面最大軸向變形云圖，此時風(fēng)向角α=35°。

表4　不同工況下的軸向位移均方根誤差

由圖6可以看出，在以軸向力為主的風(fēng)載荷作用下，天線反射面的變形量由內(nèi)向外比較均勻的遞增，最大變形均方根誤差為0.018 mm<(0.125～0.25)mm，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足正常工作的電性能要求。

4拋物面天線的振動試驗(yàn)與結(jié)果分析

由于條件限制，只能通過隨機(jī)振動試驗(yàn)，來考核φ1.3 m微波天線在經(jīng)歷了規(guī)定條件的振動激勵后，受力和變形最大位置處的結(jié)構(gòu)的完好性。

按照表5設(shè)置隨機(jī)振動試驗(yàn)振動參數(shù)，試驗(yàn)時間90min；試驗(yàn)控制曲線及響應(yīng)曲線如圖8(a)、(b)所示。

表5　隨機(jī)振動試驗(yàn)參數(shù)

從上圖8(b)可以看出，響應(yīng)曲線在10～40Hz 區(qū)域放大，其中在30～40 Hz 區(qū)域放大超過10dB，在38 Hz時聲壓級的值最大，42～60Hz 有顯著減震功能。根據(jù)IEC 6008-2-64振動烈度評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，φ1.3 m天線在經(jīng)歷了隨機(jī)振動(頻率范圍5~100 Hz、試驗(yàn)時間累積90 min)激勵后，試驗(yàn)系統(tǒng)振動烈度合格，經(jīng)檢查天線結(jié)構(gòu)各部件完好。

5結(jié)論

本文采用有限元法對工作狀態(tài)下的拋物面天線的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析和計算，并通過隨機(jī)振動試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1) 該天線結(jié)構(gòu)在25 m/s及55 m/s(生存風(fēng)速)下能滿足不同工況的強(qiáng)度需求。在25 m/s風(fēng)速下，天線反射面變形均方根誤差也滿足允許值，表明該天線結(jié)構(gòu)符合電性能要求。

2) 通過對φ1.3 m拋物面天線的試驗(yàn)驗(yàn)證，觀察受力分析最大部位是否發(fā)生變形和破環(huán)，通過兩種方法對比驗(yàn)證了天線設(shè)計的可靠性。該校核計算及試驗(yàn)驗(yàn)證方法可為同類型天線整體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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(責(zé)任編輯：李麗)

Analysis of Wind Load Acting on Microwave Communication Paraboloid Antenna in Working State

ZHANG Jin1,CHEN Xiang-yang1,LIU Li-hong1,JIANG Yan2

(1. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China；2. Xi'an Putian Antenna Co., Ltd, Xi'an Shaanxi 710048, China)

Abstract:In order to avoid wind force acting on antenna surface and affecting its normal use, on the basis of the practical technical parameters, the finite element analysis software ANSYS was used to verify the strength and rigidity of microwave communication parabolic antenna, which possibly is destroyed or in instability in active status under the wind load condition. Stress and strain of antenna structure parts under different working conditions were obtained. The points of the largest stress and strain occurrence of the structure were verified by random vibration test, to observe deformation and destruction whether or not occur to the structure. By comparison with two methods, the reliability of the antenna was verified, which provides theoretical support for the reliable application of the antenna under different wind load conditions，and a reference to structure design and production of the kind of antenna.

Key words:parabolic reflector antenna; wind load; finite element method; stress and strain

作者簡介：張 瑾(1981-)，女，河南周口人，講師，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)建模及計算機(jī)仿真。

收稿日期：2014-11-24

中圖分類號：TH123.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098(2015)04-0052-05