某車載天線工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析*

陳應(yīng)春，宋曉斐

(1. 南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某車載天線工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析*

陳應(yīng)春1，宋曉斐2

(1. 南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

車載雷達(dá)具有良好的機(jī)動能力，能夠快速完成轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，在任務(wù)現(xiàn)場無需借助外部設(shè)備即可自主完成系統(tǒng)安裝架設(shè)與撤收工作，具有很好的應(yīng)用前景。天線是車載雷達(dá)的重要組成部分，其反射面的精度對雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能有著重要的影響，而反射面的精度是依靠天線自身的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度保證的，因此對天線剛度和強(qiáng)度的分析和研究非常必要。文中以車載偏饋拋物面天線為例，從實(shí)際的技術(shù)指標(biāo)出發(fā)，運(yùn)用有限元分析軟件，通過同時(shí)加載風(fēng)力、自身重力和轉(zhuǎn)動慣性力等多種載荷，分析并驗(yàn)證了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，為以后的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

車載雷達(dá)；偏饋拋物面天線；風(fēng)載荷；有限元

引 言

車載雷達(dá)機(jī)動性能良好，能夠快速完成轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，在任務(wù)現(xiàn)場無需借助外部設(shè)備即可自主完成系統(tǒng)安裝架設(shè)與撤收工作，具有很好的應(yīng)用前景。作為雷達(dá)的重要組成部分，天線在雷達(dá)工作過程中能夠?qū)㈦姶挪òl(fā)射出去并接收進(jìn)來，是雷達(dá)系統(tǒng)與外界聯(lián)系的窗口。作為有電性能要求的結(jié)構(gòu)件，它與一般結(jié)構(gòu)件有相同的剛強(qiáng)度要求，即在各種載荷作用下不發(fā)生破壞。另外，它是為電性能服務(wù)的，在各種載荷作用下的變形必須滿足電性能要求[1]。

文中的車載雷達(dá)實(shí)際工作情況比較復(fù)雜，不僅受到風(fēng)力的作用，還受到其它載荷的作用。在惡劣的工作條件下，各種載荷在天線面上會產(chǎn)生相當(dāng)大的作用力，所以如果天線剛強(qiáng)度不夠，就會產(chǎn)生大的變形甚至破壞，影響雷達(dá)的正常使用。因此，有必要對天線在各種載荷作用下的受力變形和應(yīng)力情況進(jìn)行研究，以檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 天線系統(tǒng)的組成

某車載天線為散射通訊天線， 它利用空中介質(zhì)對電磁波的散射作用，在兩地進(jìn)行通訊。該天線系統(tǒng)包括天線、饋源和天線座3大部分[2]。天線由反射面、背架及調(diào)節(jié)螺桿等組成，饋源由喇叭、波導(dǎo)、環(huán)形器、濾波器和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換等組成，天線座由方位機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)等組成。天線和饋源通過轉(zhuǎn)動支耳安裝在天線座上，天線座安裝于車載平臺上(見圖1)，實(shí)現(xiàn)天線垂直俯仰和方位旋轉(zhuǎn)。本文主要針對天線部分進(jìn)行力學(xué)仿真分析。

圖1 天線系統(tǒng)組成

2 天線結(jié)構(gòu)介紹

天線形式為C頻段偏饋拋物面天線，反射面口徑為1.8 m × 2.1 m。天線由反射面、背架、支耳和調(diào)節(jié)螺桿等組成(見圖2)。天線反射面采用柵條形式，使用Φ6 mm × 1 mm的細(xì)鋁管在模具上彎曲成型，兩端焊接于背架上，柵條之間取適當(dāng)間距，既可以確保天線電性能不受影響，也可保證足夠的透風(fēng)率；背架采用鋁型材焊接成型，保證足夠的剛強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)絲桿和天線反射面連接來調(diào)整反射面的精度。

圖2 天線三維結(jié)構(gòu)圖

天線在方位上進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，要求其在安裝、制造、21 m/s風(fēng)速、1 r/min轉(zhuǎn)速及自重等因素綜合作用下的精度(RMS)必須小于或等于0.6 mm(工作狀態(tài))，在35 m/s風(fēng)速及自身重力作用下應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，不被破壞。

3 天線工作狀態(tài)下所受載荷分析

天線所受的載荷大致有風(fēng)力、裹冰及積雪載荷、天線運(yùn)動時(shí)的慣性載荷、自重、溫度載荷、饋源支架載荷以及其它載荷[3]。

對于車載雷達(dá)而言，天線在戶外工作，風(fēng)載荷是必須考慮的一種主要載荷[4]；由于天線需要轉(zhuǎn)動，因此不考慮冰雪載荷，但需要考慮轉(zhuǎn)動時(shí)的慣性載荷；自重總是存在而必須予以考慮的一種載荷；由于天線口徑尺寸不大，所以不考慮溫度載荷；饋源支架安裝在天線座上，因而不考慮饋源支架載荷。從上述分析可知，天線工作時(shí)所受主要載荷為風(fēng)載荷、慣性載荷和自重。

風(fēng)載荷是天線受到的主要載荷，風(fēng)壓計(jì)算公式為：

(1)

式中：q為風(fēng)壓，Pa；V為風(fēng)速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；KR為風(fēng)阻系數(shù)，主要取決于物體的形狀與風(fēng)向；Kg為陣風(fēng)因子，當(dāng)給定風(fēng)速為平穩(wěn)風(fēng)速時(shí)，按國軍標(biāo)選為1.42，當(dāng)給定風(fēng)速為最大風(fēng)速時(shí)則取為1；Kh為高度因子，按表1選擇。

表1 高度因子

天線按1 r/min的速度做方位旋轉(zhuǎn)，所受離心力計(jì)算公式如下：

Pk=mkω2r

(2)

式中：mk為集中在K點(diǎn)的質(zhì)量；ω為角速度；r為K點(diǎn)到轉(zhuǎn)動中心的距離。

天線自重計(jì)算公式為：

G=mg

(3)

式中，m為天線質(zhì)量，kg。

由于該天線剛性較好，不會有較大振動，所以以上風(fēng)載荷和慣性載荷都是按照靜載荷計(jì)算的[5]。

4 有限元模型的建立

本文采用HYPERMESH軟件建模，采用ANSYS軟件計(jì)算分析。

4.1 坐標(biāo)系

文中建模和分析所涉總體坐標(biāo)系如圖3所示，X軸為天線側(cè)面方向，Y軸為天線受風(fēng)方向，Z軸為天線重力方向。

圖3 天線有限元模型

4.2 模型簡化

模型中支耳、加強(qiáng)筋板、背架加強(qiáng)彎板和背架之間的相互連接采用剛性連接，利用CERIG單元來模擬其連接作用。對零件的倒角和凸臺等特征進(jìn)行了簡化，不考慮其對結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度性能的影響。

4.3 網(wǎng)格劃分

支耳、加強(qiáng)筋板和背架加強(qiáng)彎板采用殼單元SHELL63單元進(jìn)行建模，背架和柵條采用BEAM188梁單元來模擬，調(diào)節(jié)螺桿采用CERIG單元來模擬。劃分后的網(wǎng)格模型如圖3所示。涉及的材料及其參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

5 計(jì)算及分析

5.1 天線結(jié)構(gòu)剛度分析

天線在自身重力、21 m/s風(fēng)速和1 r/min轉(zhuǎn)速3種載荷作用下的三向綜合變形如圖4所示。從圖4可知，天線反射面的變形量由下向上均勻遞增，其上部結(jié)構(gòu)的變形較大，最大變形約為1.729 mm。經(jīng)過分析計(jì)算可以得到三向綜合變形的均方根值σ1為0.55 mm。由于天線反射面(柵條)是在模具上成型的，其加工和裝配精度靠模具保證，因此均方根σ2<0.2 mm。

圖4 天線結(jié)構(gòu)的三向綜合變形(單位：mm)

天線反射面精度可用下面公式進(jìn)行估算：

(4)

式中：σ1為受力變形引起的反射面誤差；σ2為加工及裝配引起的反射面誤差。

綜上所述，天線在安裝、制造、21m/s風(fēng)速、1 r/min轉(zhuǎn)速及自重等因素綜合作用下的精度(RMS)小于0.6 mm(工作狀態(tài))，滿足天線結(jié)構(gòu)的剛度要求。

5.2 天線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

天線在自身重力和35 m/s風(fēng)速2種載荷作用下的應(yīng)力分布如圖5所示，最大應(yīng)力σmax為40 959 kPa，發(fā)生在支耳和背架的連接處。

圖5 天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖(單位：kPa)

天線的最大工作應(yīng)力不能超過材料的許用應(yīng)力，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

σmax≤[σ]

(5)

式中：σmax為天線的最大工作應(yīng)力；[σ]為材料的許用應(yīng)力。

材料的許用應(yīng)力用下面公式計(jì)算：

(6)

式中：σu為材料的極限應(yīng)力；n為安全系數(shù)。

由于鋁材5052是塑性材料，且無明顯屈服極限，因此公式又可以表示為：

(7)

式中：σs為屈服極限應(yīng)力；σ0.2為名義屈服應(yīng)力。

綜上所述，天線在35m/s風(fēng)速及自身重力作用下滿足強(qiáng)度要求。

6 結(jié)束語

本文從天線的技術(shù)指標(biāo)出發(fā)，采用有限元分析法對車載偏饋拋物面天線在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。結(jié)果表明：該天線的剛度在21m/s風(fēng)載作用下的均方根(RMS)小于0.6mm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；在35m/s風(fēng)載作用下，其背架的局部最大應(yīng)力為40 959kPa，小于5052鋁材的許用應(yīng)力，滿足天線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

[1] 候?qū)W兵, 高峰華. 某雷達(dá)天線的風(fēng)載荷分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2010, 26(3): 40-42.

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[5] 蔣爾進(jìn). 一種圓拋物面天線的有限元分析[J]. 雷達(dá)與對抗, 2004(4): 61-64.

陳應(yīng)春(1982-)，男，工程師，主要從事天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

宋曉斐(1971-),男，高級工程師，主要從事天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Analysis of a Vehicle-borne Antenna under Operation

CHEN Ying-chun1，SONG Xiao-fei2

(1.NanjingNRIETIndustrialCo.,Ltd.,Nanjing211100,China；2.NanjinResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The vehicle-borne radar can be rapidly transported from one field to another because of its good mobility. Its mantling and dismantling can be completed without outer equipment. Therefore, it has a good application prospect. The antenna is one of the most important components of the vehicle-borne radar. Its precision, which depends on its strength, will affect the performance of the radar, so it is very necessary to study the structure rigidity and intensity of the antenna. The offset parabolic antenna is given as an example to illustrate this structure analysis with the finite element analysis software and from the real technical parameters. The reliability of the antenna is verified by loading simultaneously the wind force, gravity and the rotational inertia force. The results can be used as reference for design and optimization of the antenna in the future.

vehicle-borne radar; offset parabolic antenna; wind load; finite element

2015-12-31

TN82

A

1008-5300(2016)01-0044-04