一種共形天線陣支架的結構設計與仿真分析

梁　國，王　建

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種共形天線陣支架的結構設計與仿真分析

梁國，王建

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：針對垂直起降無人機任務系統輕量化、天線陣結構便于展開和收放的需求，借助于共形天線的設計理念，設計了一種可折疊式天線陣支架。利用SolidWorks軟件建立可折疊式天線陣支架的有限元模型，通過有限元軟件ANSYS對其進行靜力分析和模態(tài)分析，得到系統的固有頻率和振型；然后對天線陣支架進行隨機振動分析，得到天線陣支架在寬帶隨機激勵下的等效應力云圖和位移響應。仿真結果表明，天線陣支架的結構滿足剛強度設計要求。

關鍵詞：天線陣支架；共形；模態(tài)分析；隨機振動分析

0引言

近年來，小型多旋翼垂直起降無人機的應用和研究受到有關方面的廣泛重視。小型旋翼無人機可以完成超低空偵察、干擾、監(jiān)視等各種復雜任務[1]。旋翼無人機由于能夠垂直起降、自由懸停，可執(zhí)行各種速度及各種飛行剖面航路的飛行任務。它具有如下幾個特點:① 體積小、重量輕和隱蔽性好,適合多平臺,多空間使用,可以在地面、軍艦上靈活垂直起降，不需要彈射器和發(fā)射架進行發(fā)射； ② 飛行高度低,具有很強的機動性,執(zhí)行特種任務能力強,微小型多旋翼無人機飛行高度為幾米到幾百米,飛行速度為每秒幾米到幾十米，能鉆到建筑物或洞穴隧道內執(zhí)行偵察任務,便于在復雜環(huán)境下使用,可以對細小環(huán)節(jié)進行偵察；③ 結構簡單,成本低,安全性好,多旋翼無人機可以提供準確實時的目標探測信息，成本較低,拆卸方便，且易于維護[2]。

由于旋翼無人機大多采用電機驅動，受到蓄電池容量的限制，續(xù)航力較短，承載能力較小，載荷重量對續(xù)航力的影響比較敏感。這對負載提出了輕量化的要求，特別是多陣子陣列天線，在輕量化的前提下，如何保證天線陣支架的剛強度，進而使天線陣子在飛行振動、降落沖擊等惡劣的環(huán)境條件下保持偵測精度，這是設計者在設計過程中需要考慮的問題[3]。本文在垂直起降無人機的基礎上，對5陣子天線陣進行了共形[3]結構設計，借助于ANSYS軟件對天線陣進行了結構強度分析。

1結構設計

1.1　總體結構方案設計

該天線載荷為5陣子天線陣載荷，陣子天線所形成圓形陣的直徑為1.2 m，懸掛在無人機機身的正下方，5陣子天線陣布局如圖1所示。

圖1　5陣源天線陣布局圖

在進行天線陣支架結構設計時，必須滿足4個要求：

① 重量要求：為了盡可能的增大無人機的續(xù)航能力，需滿足整個天線陣總重量的要求；

② 天線陣支架和六旋翼的對接要求：垂直起降無人機自帶起落架，天線陣和六旋翼無人機如何對接，要解決碳纖維材質的起落架對天線的遮擋；

③ 結構形式與剛強度設計：天線陣5陣子天線所形成的圓陣直徑為1.2 m，跨度較大，天線陣支架要經受住六旋翼無人機降落、飛行過程時的沖擊和振動；

④ 可折疊要求：為了便于架設、回收、運輸和儲存，5根天線桿要采取可折疊式的結構設計。

天線陣支架示意圖如圖2所示，中心支桿可以減小天線桿的受力狀況。

圖2　天線陣支架示意圖

結合載機的結構特點和5陣子天線陣布局特點，采用共形設計理念，去掉載機原有起落架，將無人機起落架和天線陣支架在結構上融為一體，5陣源天線陣支架在保證天線陣相對陣型的同時，起到起落架的作用，不僅降低了系統重量，而且避免了原有碳纖維起落架對天線的遮擋。材質選取上采用碳纖維復合材料、鋁合金和塑料相結合，極大地降低了天線陣的重量。

天線陣系統的展開狀態(tài)如圖3所示，回收狀態(tài)如圖4所示。

圖3　工作狀態(tài)　　　圖4　回收狀態(tài)

1.2　可折疊式系統的結構設計

為了便于天線系統的架設、收放、運輸和貯存，設計了一套可折疊系統，主要包括中心法蘭、轉接件、銷軸、卡箍和蝶形螺母等。要執(zhí)行任務展開時，將天線桿卡在卡箍的卡槽內，蝶形螺母旋緊，天線桿即被限制在固定的位置，如圖5所示。要回收時，松開蝶形螺母，將天線桿從卡箍的卡槽內扳出即可。

圖5　可折疊式結構

2靜力學分析

2.1　有限元模型的簡化

天線陣支架由多種不同材質的零件組裝而成，為使建立的模型能更好地反應支架結構的實際力學性能，本文在對支架結構作如下假設；

① 零部件兩兩之間視為剛性聯接，不考慮零部件之間的非線性因素；

② 不考慮結構中的細小部分，比如較小的倒角和圓角，構造等原因需要開的小孔，這樣能有效地改善網格劃分的質量并提高仿真計算速度[4]。

2.2　前處理過程

材料屬性的設定：天線支架共用到3種材料，分別為碳纖維復合材料、鋁合金和尼龍塑料，在ANSYS中分別對各零部件賦予相應的材質屬性，材料屬性如表1所示。

表1　材料屬性

網格的劃分：為了提高仿真精度，劃分網格時。天線陣子的爪盤和方位關節(jié)的圓柱形桿的受力狀況對天線的性能有較大的影響，網格劃分較密，支架的剩余部分網格劃分較疏，以提高仿真運行速度。

約束與加載：在進行靜力分析時，5個陣子天線的下端面和中心支桿的下端面為約束面。在模態(tài)分析和隨機振動分析中，設備艙的上端面為約束面。

2.3　靜力學分析

六旋翼飛機具有懸停的特點，著陸時降落速度較小，沖擊比較小，但是著陸地面不夠平整或者著陸瞬間飛機和地面不是完全平行，會出現其中某一根或者兩根陣子天線先著陸，其他陣子天線后著陸的現象。當飛機停穩(wěn)后，整個飛機的重量都靠天線陣支架的中心支桿和5個陣子天線支撐。理論上，整個載機的質心和中心支桿共線，但是有可能一個陣子天線先著地，會使整個系統質心偏離中心，使5根天線桿受力不均勻?？紤]到安全裕度，假設整個系統的重量為150 N，另外增加一個偏心力50 N，總計重量20 kg，力的施加面為設備艙的上端面，如圖6所示。

經過仿真計算，天線陣在靜力作用下的，受力狀況如圖7所示。通過對仿真數據的分析，可知，在施加質心偏離中心的靜力作用下，天線陣受力較大的部件為質心偏移這一側的天線桿，天線桿上受力最大的部位為靠近卡箍的部位，這也驗證了該天線陣結構的缺點就是動力臂長阻力臂短，天線桿容易局部受力。但是從圖7可以看出，天線桿靠近卡箍的部位最大應力為400 MPa左右，天線桿材質為碳纖維復合材料，強度為1 600 MPa左右，因此在靜力作用下，天線陣結構是安全的。

圖6　天線陣支架受力示意圖　圖7　靜力作用下應力圖

3動力學分析

3.1　模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學分析的基礎，主要研究系統在無阻尼狀態(tài)下自身的振動特性，即系統自身的固有振動頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷的結構設計中的重要參數[8]。

低階頻率對系統動力學特性起主要作用，結構低階共振頻率越高，其動態(tài)剛性越好[9]。在這里提取該支架結構無載荷狀態(tài)下前12階固有頻率。天線支架的前12階固有頻率如表2所示。

表2　前6階固有頻率和振型特征

從圖8可看出，模態(tài)第1階振型表現為5個天線桿繞中心軸扭動，從圖8~圖10可以看出，模態(tài)第2階~第10階振型表現為天線桿局部的相對擺動。

圖8　模態(tài)1階、2階振型圖

圖9　模態(tài)3階、4階振型圖

圖10　模態(tài)5階、6階振型圖

從圖11可以看出，模態(tài)第11階、12階振型表現為整體不規(guī)則扭動。模態(tài)分析結果表明，天線陣的桿式結構使得整個天線陣的前幾階共振頻率較低，在裝配時注意零部件之間要固定牢固，盡量增大其剛性。

圖11　模態(tài)11階、12階振型圖

3.2　隨機振動分析

隨機振動分析是一種采用功率譜密度作為輸入的譜分析，是一種確定響應出現特定值的概率大小的分析方法。隨機振動分析是一種采用功率譜密度作為輸入的譜分析，是一種確定響應出現特定值的概率大小的分析方法[10,11]。在天線支架設計過程中進行隨機振動仿真分析，可以得到其在力學環(huán)境條件下的動力學響應。六旋翼振動環(huán)境主要是寬帶隨機振動，主要是六旋翼旋翼、氣流激勵等因素產生[12]，本次加載的寬帶隨機振動范圍為5~1 000 Hz，功率譜密度為0.06 g2/Hz，加載點為設備艙和六旋翼機身安裝面，方向為豎直方向，振動功率譜型曲線如圖12所示。

圖12　振動功率譜型

經過仿真計算，可得支架3σ等效應力如圖13所示，3σ位移響應如圖14所示。從圖13中可以看出，3σ最大等效應力為396 MPa，發(fā)生在天線桿和卡箍的接觸部位，另外天線桿和陣子天線接觸的地方受力也比較大。

圖13　3σ等效應力

從圖14可以看出，最大振幅位移為8 mm，發(fā)生在陣子天線的尾部。最大3σ等效應力遠小于天線桿碳纖維復合材料的強度1 600 Mpa，滿足強度設計要求。對于陣子天線的位移大小，要結合陣子天線的測向性能，總質量要求，決定是否增加天線桿直徑及壁厚，及其他部件的剛度，以抑制在隨機振動環(huán)境下天線陣子的振幅。

圖14　3σ位移響應

4結束語

設計了一種可折疊式天線陣支架，采用天線陣支架和起落架共形結構設計理念，實現了天線陣系統的任務功能，減輕了系統的重量，有利于系統的收放。力學分析結果表明，天線陣系統的剛強度滿足設計要求。

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Structure Design and Simulation Analysis on Conformal
Antenna Support

LIANG Guo,WANG Jian

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：Aiming at the requirements of lightweight,easy deployment and retraction of the antenna support,a kind of foldable antenna support is designed by means of the conformal antenna concept.The finite element model of the foldable antenna support is built based on SolidWorks software.The static analysis and modal analysis are performed by mean of ANSYS software to obtain the natural frequencies and mode shapes of system.The random vibration analysis is carried out to obtain the equivalent stress contour and displacement response of the claw plate antenna support under the excitation of broadband random vibration.The simulation results show that the structure of antenna support can meet the design requirements.

Key words：antenna support;conformal;modal analysis;random vibration analysis

作者簡介：梁國(1983—)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：電子設備結構設計與力學仿真分析。王建(1974—)，男，高級工程師，主要研究方向：電子系統結構論證與電子設備結構設計。

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA7074016C)

收稿日期：2015-09-21

中圖分類號：TN820.8+8

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-65-4

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.17 10．3969/j．issn．1003-3114．2016．01．18

引用格式：梁國，王建.一種共形天線陣支架的結構設計與仿真分析[J].無線電通信技術,2016,42(1):65-68.