陣列天線骨架結構設計

張旭東 紀成臣 閆秀峰

摘 要：由于陣列天線具有尺寸大、構型復雜、陣面設備多、抗風能力要求高等特點，本文通過有限元仿真與模擬加載試驗相結合的手段來校驗陣列天線的強度和面精度，避免了設計的反復，縮短了研制周期。

關鍵詞：陣列天線；風載荷；有限元仿真；加載試驗

陣列天線是一種高精度的機電一體化產(chǎn)品，由于受到負重、風載等外載荷的作用，天線表面必然偏離其理想設計形狀，特別對一些大型陣列天線，僅僅由于本身重量引起的變形就可能超出精度要求，因此在天線結構設計中進行力學分析和優(yōu)化設計十分必要。針對這種情況，設計開始時便從全過程的角度進行系統(tǒng)考慮，利用有限元仿真與模擬加載試驗相結合的手段，確保天線結構的強度、面精度、安全性等指標。

1 陣列天線構型設計

1.1 陣列天線骨架組成

陣列天線骨架是一個比較復雜的裝配體，包含的零部件非常多，主要由天線子陣（5個）、主背架、副背架（2個）、底架、俯仰機構等組成。陣列天線骨架外形尺寸為8.4m×5.5m×1.9m。

1.2 設計要求

①風速為28m/s時，天線能正常工作，天線陣面的面精度不大于10mm。

②風速為38m/s時，天線陣面不發(fā)生塑性變形，天線結構各部分均不產(chǎn)生強度失效，強度校核安全系數(shù)不小于2.5。

1.3 骨架材料的選擇

對于天線陣面結構比較突出的要求是強度大、剛度好、重量輕、精度高，同時還要適應各種環(huán)境條件。我們初步選擇了三種常用材料作為候選：低合金鋼（16Mn）、鋁合金（6061-T6）和鈦合金（TC1）。剛度一定時，鋼架結構重量最輕，鋁合金次之，鈦合金最重；結構強度一定時，鈦合金最輕，鋁合金次之，鋼最重。對于天線骨架的選材，剛度、強度、重量都有要求，因此，經(jīng)過綜合考慮，底架、主背架和兩個副背架選用低合金鋼（16Mn），天線子陣骨架選用高強度鋁合金管（6061-T6）。

1.4 陣列天線載荷分析

對天線骨架進行強度與剛度計算時，首先必須確定天線所受的載荷。天線所受的載荷類型比較多，在設計時應抓住主要因素，忽略某些次要因素，加以必要的簡化。在本文的天線骨架設計中，主要考慮的載荷有風荷和自重。

風力計算公式：

由（1）式計算可得，在28m/s風速下的風載為2128.6kgf，在38m/s風速下的風載為3920.5kgf。

2 仿真分析與試驗

在理論設計計算得到的數(shù)據(jù)基礎上，采用有限元仿真方法和試驗驗證相結合的辦法來校核天線骨架的剛度、強度，確定天線陣面骨架的應力分布情況，以指導設計改進工作。

2.1 骨架的力學仿真

采用ANSYS分析軟件對陣列天線骨架進行網(wǎng)格劃分，以底架的安裝接口為約束，結合材料性能與加載條件，對骨架進行力學仿真。按照設計要求陣列天線骨架在28 m/s風載下保證工作精度，在38m/s風載下保證強度。

在28 m/s風載下，骨架的最大風載變形為2.7mm，位于天線子陣的上邊緣。在38 m/s風載下，骨架的最大應力為104MPa，位于主背架的底部位置，強度安全系數(shù)為3.3。

2.2 力學加載試驗

為了與有限元仿真的結果進行對比，同時對天線陣面的剛強度進行可靠性驗證，我們對陣面骨架做了力學模擬加載試驗，從試驗的安全角度和條件考慮，將陣列天線水平方向放置進行加載，

2.2.1 受力狀態(tài)分析

底架和主背架受力最大，因此在進行加載試驗時，主要考慮這兩個構架的應力值。由于水平放置加載對底架和主背架的受力發(fā)生變化，需對受力狀態(tài)進行分析。兩種狀態(tài)受力示意圖如圖1所示。

陣面和骨架自重G約為2000kg，強度分析時，陣面的風力為3920kgf，則F合約為4400kg。水平放置時，需再加載2400kg與實際受力狀態(tài)接近；面精度分析時，陣面需加載2000kg，因此加載過程中將應力變化和陣面的形變同時記錄。

2.2.2 測量方法

試驗過程中，使用DH3816靜態(tài)應變測量系統(tǒng)采集應力值，本套系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、計算機及支持軟件組成，可自動、準確、可靠、快速地測量應力試驗中多點的靜態(tài)應變值。使用經(jīng)緯儀和陣面上的標尺，記錄天線陣面的位移值。

根據(jù)力學仿真結果和陣面骨架上應變片的實際可布置情況，依據(jù)測點應覆蓋力學分析應力最大值的原則，在主背架和底架上選取9個測點測量應力，設備平放在地面上時將應變片貼好，此時應力值為零，然后將其固定在試驗支架上。記錄第一組應力值數(shù)據(jù)，此時用經(jīng)緯儀記錄位移數(shù)據(jù)值作為初始數(shù)據(jù)。此后每加載400 kg載荷記錄一次應力值數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)值。

2.3 仿真和試驗結果對比

根據(jù)試驗狀態(tài)進行仿真分析，分析結果如圖2所示，最大應力值為106.8 MPa，與實際豎直狀態(tài)進行對比，最大應力值和最大點位置基本一致。由此可以說明兩種狀態(tài)基本一致。

將試驗各個檢測點在仿真應力云圖上標出相應的應力值，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和仿真結果數(shù)據(jù)進行對比，對比應力數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，仿真結果與試驗結果的最大應力值都是⑤號測點位置，各點最大誤差為19%，誤差值考慮到試驗現(xiàn)場的操作誤差和骨架結構焊接工藝不確定性等因素的影響，這個誤差值在可以接受范圍內(nèi)。

將試驗各個檢測點在仿真位移云圖上標出相應的位移值，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和仿真結果數(shù)據(jù)進行對比分析，位置最大位移值為5.1mm，加載試驗結果均方根值為2.0mm，仿真結果為1.2mm，由此可見，仿真結果和加載試驗結果相差不大。

2.4 天線陣面面精度估算

大型陣列天線的主要機械指標之一是陣面的平面精度，保證陣面精度對實現(xiàn)天線電性能指標至關重要。本陣列天線陣面的變形誤差可以從以下幾點分析：

①陣面加工誤差δ加工：陣面的結構型式、選用材料及加工成型工藝決定了其表面精度。天線子陣采用鋁材拼焊后去應力再銑削加工安裝平面的辦法，這里取平面公差等級為12級時平面度的公差為2mm。

②陣面安裝調(diào)整誤差δ裝配：陣面安裝點的位置精度取決于測量系統(tǒng)的精度，該項目采用三坐標測量儀測量，相應條件下，可保證裝配誤差為2mm。

③陣面結構風載變形：在28m/s風載下變形最大值δ風。

以上三種誤差對天線陣面面精度的影響可以近似地認為是相互獨立的，可以用以下公式對天線陣面的整體誤差做近似計算：

經(jīng)計算，天線陣面變形誤差最大值為3.5mm，仿真結果滿足陣面精度設計要求。

3 結束語

從陣列天線陣面的技術要求出發(fā)，通過運用有限元仿真和模擬試驗相結合的方法對天線骨架進行分析，檢驗了陣面強度、剛度、安全性等指標均符合設計要求，并為天線骨架的結構優(yōu)化與減重方案進行改進和完善，確保了結構設計正確性。

在實際工作中，陣列天線骨架經(jīng)過了多次13級風的洗禮，實踐證明其剛強度能夠滿足設計要求。運用有限元仿真手段來指導天線結構設計工作，被證明是一種有效可行的途徑。

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