7.3m天線結(jié)構(gòu)固有頻率高精度建模與仿真模擬

張　磊，王鑫磊，姚建濤

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊　050081；2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島　066004)

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7.3m天線結(jié)構(gòu)固有頻率高精度建模與仿真模擬

張磊1，王鑫磊2，姚建濤2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島066004)

大型天線結(jié)構(gòu)的高精度建模與仿真一直以來(lái)都是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。本文針對(duì)7.3m天線，考慮其結(jié)合部特性，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件，運(yùn)用實(shí)體建模的方法，對(duì)7.3m天線進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化處理并進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了它的六階固有頻率值。結(jié)果表明，得出的7.3m天線的一階固有頻率值與實(shí)驗(yàn)值十分接近，證明了仿真分析方法的可靠性，研究?jī)?nèi)容對(duì)于天線結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

7.3m天線；結(jié)合部；實(shí)體建模；固有頻率

天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是多自由度系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)自由度就有一個(gè)諧振頻率，當(dāng)外界干擾力的頻率等于系統(tǒng)諧振頻率時(shí)，就發(fā)生共振[1]。通過(guò)查找相關(guān)文獻(xiàn)可知，天線結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)極大部分與最低次響應(yīng)，即與一階諧振頻率有關(guān)。因此準(zhǔn)確地仿真計(jì)算出天線結(jié)構(gòu)的固有頻率具有重大的實(shí)際意義[2]。

筆者利用ANSYS Workbench軟件，考慮結(jié)合部特性對(duì)固有頻率的影響，采用實(shí)體建模[3]的方法，對(duì)7.3m天線進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化處理并進(jìn)行了自由模態(tài)分析，得出了它的六階固有頻率值及相對(duì)變形量和不同角度下的一階固有頻率值，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較。

1　7.3m天線結(jié)構(gòu)的仿真處理

7.3m天線結(jié)構(gòu)模型仿真較為復(fù)雜，需要考慮其傳動(dòng)鏈剛度特性，即結(jié)合部的剛度特性；據(jù)數(shù)據(jù)表明，天線的靜剛度中有30%-50%取決于結(jié)合部的剛度特性，動(dòng)柔度有60%以上源自結(jié)合部，阻尼值更是有90%以上源自結(jié)合部。7.3m天線上的結(jié)合部主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是固定結(jié)合部，如螺栓連接等(如圖1)；另一類(lèi)是運(yùn)動(dòng)結(jié)合部，如傳動(dòng)鏈部分中的電機(jī)、減速器、軸承、齒輪等(如圖2)。

圖1　天線結(jié)構(gòu)螺栓固定結(jié)合部 圖2　天線結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)合部

天線結(jié)構(gòu)結(jié)合部的處理，對(duì)于焊件、螺栓等結(jié)合部，采用布爾操作或綁定接觸處理(如圖3)；對(duì)于軸承、齒輪等運(yùn)動(dòng)結(jié)合部，采用實(shí)體模型，盡量細(xì)化網(wǎng)格(如圖4)。

圖3　天線結(jié)構(gòu)固定結(jié)合部布爾操作 圖4　天線結(jié)構(gòu)軸承結(jié)合部網(wǎng)格處理

整體網(wǎng)格大小控制為50mm，結(jié)合部處的網(wǎng)格大小控制在5mm以?xún)?nèi)，最終劃分完的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為5676101，單元數(shù)為3464511，整體網(wǎng)格圖如圖5。為了分析7.3m天線的固有特性，對(duì)天線進(jìn)行了自由模態(tài)分析，對(duì)天線座底部施加固定約束(如圖6)。

圖5　天線整體網(wǎng)格圖 圖6　天線施加約束圖

2　7.3m天線結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

綜合考慮各因素的影響，即考慮關(guān)節(jié)結(jié)合部的剛度、配重的質(zhì)量和鋼筋混凝土地基的質(zhì)量的影響[4]，其中關(guān)節(jié)結(jié)合部剛度包括電機(jī)和減速器輸出軸剛度、齒輪嚙合剛度，在ANSYS Workbench中施加電機(jī)和減速器的輸出軸剛度值，齒輪嚙合剛度采用法向剛度接觸因子代替；鋼筋混凝土地基盡量模擬試驗(yàn)時(shí)的模型。

如圖7所示，7.3m天線的一階固有頻率為2.9708Hz。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一階固有頻率值為2.8Hz，理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為6.1%，在誤差允許的范圍之內(nèi)。如圖8所示，7.3m天線的二階固有頻率為7.4838Hz。

圖7　7.3m天線第一階模態(tài) 圖8　7.3m天線第二階模態(tài)

如圖9所示，7.3m天線的三階固有頻率為8.5103Hz。如圖10所示，7.3m天線的四階固有頻率為10.105Hz。

圖9　7.3m天線第三階模態(tài) 圖10　7.3m天線第四階模態(tài)

如圖11所示，7.3m天線的五階固有頻率為12.282Hz。如圖12所示，7.3m天線的六階固有頻率為14.256Hz。

圖11　7.3m天線第五階模態(tài) 圖12　7.3m天線第六階模態(tài)

3　7.3m天線的模態(tài)振型

通過(guò)各模態(tài)陣型圖可看出，7.3m天線的前兩階振型均為整體的振動(dòng)，后四階振型為天線的部分部件的振動(dòng)，振動(dòng)形式如表1所示。

表1　7.3m天線振動(dòng)形式

4　不同角度下7.3m天線的固有頻率

綜合考慮各因素的影響，仿真分析了反射面在不同角度下(每隔15°)7.3m天線的固有頻率值(一階)，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

表2　不同角度下7.3m天線的固有頻率值

5　結(jié)論

仿真分析了7.3m天線的固有頻率，建立了考慮天線結(jié)合部特征的有限元模型，對(duì)7.3m天線進(jìn)行了詳細(xì)的自由模態(tài)分析，考慮了電機(jī)減速器的剛度及齒輪嚙合的剛度對(duì)天線固有頻率的影響。在前六階振型中，前兩階振型為天線的整體振動(dòng)，后四階振型為天線的局部振動(dòng)。

[1]黃真,趙永生,趙鐵石．高等空間機(jī)構(gòu)學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[2]諸德超，邢譽(yù)峰．工程振動(dòng)基礎(chǔ)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]浦廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解(第二版)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[4]張國(guó)志,齊曉娜.一種自動(dòng)天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào).2011,28(2)：45-48.

The natural frequency precise modeling and simulation of 7.3 m antenna structure

ZHANG Lei,WANG Xin-lei,YAO Jian-tao

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.ParallelRobotandMechatronicSystemLaboratoryofHebeiProvinceinYanshanUniversity,QinhuangdaoHebei066004,China)

Precise modeling and simulation of large antenna structure has always been a complex problem .Considering the characteristic of the joint,the sixth-order natural frequency value of the 7.3 m antenna which simplified by the solid modeling method is obtained by the modal analysis using the ANSYS Workbench. The results showed that the first natural frequency is very close to the experiment value,and the reliability of the simulation analysis method is proved,the research has guiding significance for the study of the dynamic characteristics of the antenna structure.

7.3m antenna；Joint；Solid modeling；Natural frequency

2016-02-21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB821800)；國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作與交流項(xiàng)目(11261140641)；河北省自然科學(xué)基金(E2015203165)

張磊(1982-)，男，博士，工程師，主要從事天伺饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)與有限元分析.

1001-9383(2016)02-0001-05

TP29

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責(zé)任編輯：張立佳，劉淑玲