一種天線支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

徐國梁 康鵬 徐興盛 彭浩宸

摘要：結(jié)合某型接收天線使用要求，設(shè)計了一型天線支架，并對其進(jìn)行有限元分析。分析在12級風(fēng)作用下天線支架的應(yīng)力和變形，確定了具體的設(shè)計參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安全可靠和輕量化。所提方法適用于天線支架的靜力學(xué)分析問題，可為同類型設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：天線支架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析

中圖分類號：TH113? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.014

0? ? 引言

某型接收天線，安裝在沿海地區(qū)及島礁的臺站中，臺站常年無人值守，安裝架設(shè)僅由兩人完成。此類使用環(huán)境對天線支架的設(shè)計提出了一定要求，既要保障天線性能，又要滿足安全性、可靠性、運(yùn)輸性等要求。結(jié)構(gòu)過于輕薄會被強(qiáng)風(fēng)破壞，過于厚重會導(dǎo)致成本增加且安裝困難，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的天線支架非常重要。

目前，一些學(xué)者圍繞此類結(jié)構(gòu)設(shè)計、風(fēng)載分析問題開展了大量工作。文獻(xiàn)[1]建立了某型雷達(dá)天線的有限元分析模型，通過強(qiáng)度分析等方法實(shí)現(xiàn)了對天線結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)與決策的指導(dǎo)。文獻(xiàn)[2]仿真了天線支架在不同結(jié)構(gòu)形式、材料和厚度條件下的應(yīng)力和變形，最終確定了天線支架具體的設(shè)計路線。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了三種不同結(jié)構(gòu)形式的全向天線支架，并對其進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析，根據(jù)分析結(jié)果獲得了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

本文設(shè)計了一型天線支架，并使用有限元分析軟件，仿真模擬在12級風(fēng)作用下的應(yīng)力和變形。依據(jù)仿真結(jié)果，確定了相關(guān)設(shè)計參數(shù)。

1? ? 技術(shù)要求

該型天線為固定站使用，應(yīng)滿足下列技術(shù)指標(biāo)及環(huán)境要求：

（1）天線支架具有足夠的強(qiáng)度和剛度，為電路單元的連接和固定提供安全可靠的支撐。12級風(fēng)時（風(fēng)速35 m/s）要求雷達(dá)天線不能被破壞。

（2）設(shè)備艙為19 in（0.48 m）標(biāo)準(zhǔn)上架式機(jī)箱，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外通用。

（3）天線支架重量不超過35 kg。

（4）設(shè)備露天放置，滿足防鹽霧要求。

2? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1? ? 設(shè)計方案

天線總高約1 500 mm，整體結(jié)構(gòu)由天線支架、設(shè)備艙、遮陽罩、天線罩（內(nèi)含接收天線）、GNSS天線等組成。天線罩固定在天線支架頂端，GNSS天線和設(shè)備艙布置在支架兩側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線支架主體由316L不銹鋼管、316L不銹鋼板焊接而成。主支架長1 300 mm，主支架底部與底盤相連，附帶4個三角形斜撐。底盤開孔與混凝土基座預(yù)埋螺栓相對應(yīng)。支架頂部的法蘭盤采用類似結(jié)構(gòu)，與主支架焊接為一體，開孔與天線托盤對應(yīng)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在主支架的兩側(cè)面焊有兩處不銹鋼板法蘭盤，側(cè)支架、設(shè)備艙通過對應(yīng)螺栓與法蘭盤連接。側(cè)支架由外徑51 mm的316L不銹鋼管彎折而成，GNSS天線通過螺栓連接固定在其頂端。

2.2? ? 材料選擇及表面處理工藝

選用耐腐蝕材料是抗鹽霧的最有效方法之一。為防止鹽霧環(huán)境造成設(shè)備表面出現(xiàn)銹蝕，在天線支架、機(jī)箱等材料上選擇316L不銹鋼，在天線罩等材料上選擇用玻璃鋼，均具有良好的抗鹽霧腐蝕性。

316L不銹鋼是含鉬元素奧氏體不銹鋼，與鋁合金、304不銹鋼等材料相比，具有更好的抗化學(xué)腐蝕性，可以耐硫酸、磷酸等強(qiáng)酸腐蝕，在海水環(huán)境中也可表現(xiàn)出很好的耐腐蝕性能，因此廣泛應(yīng)用于船只、沿海建筑物及設(shè)備；并且316L具備優(yōu)良的焊接性[4]，適合在此類天線支架中使用。

天線支架使用的316L不銹鋼材料均采用表面鈍化工藝。表面鈍化是指金屬經(jīng)強(qiáng)氧化劑或電化學(xué)方法氧化處理，使表面變?yōu)椴换顫姂B(tài)即鈍態(tài)的過程，是使金屬表面轉(zhuǎn)化為不易被氧化的狀態(tài)，從而延緩金屬的腐蝕速度的方法。通過鈍化，可以有效提高不銹鋼表面的耐腐蝕性能，可提高抗鹽霧性能10～20倍甚至更高。

同時，天線支架整體噴漆。在設(shè)備外表面均勻噴涂油漆，采用“底漆+中間層+面漆”的多層噴漆工藝，形成一定厚度的漆膜，隔絕水分子、鹽霧分子向零件表面的滲透和腐蝕，達(dá)到隔絕鹽霧的作用，進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)備抗鹽霧性。

3? ? 有限元分析

3.1? ? 概況

為實(shí)現(xiàn)天線支架強(qiáng)度高、重量輕的目標(biāo)，在保證整體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的前提下，要求鋼管的壁厚盡可能薄，因此需要分析天線支架結(jié)構(gòu)在12級風(fēng)載作用下的靜力學(xué)性能。

當(dāng)設(shè)備受到風(fēng)載荷時，會在主支架與斜撐的交接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，為防止被破壞，主支架需要足夠的壁厚，壁厚又決定了天線支架的總重量，因此通過有限元分析合理選擇主支架壁厚尤為重要。

為保證接插件安裝空間，主支架內(nèi)徑需大于100 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，選取外徑114 mm的316L不銹鋼管，壁厚規(guī)格選取最薄的3 mm，此時天線支架總重量31 kg，滿足設(shè)計要求。

3.2? ? 風(fēng)載計算

設(shè)備使用時會受到來自不同方向的風(fēng)載影響，天線支架會出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種形態(tài)，以上兩種形態(tài)都會影響天線支架的強(qiáng)度。因此在仿真分析時，要考慮不同方向風(fēng)作用下的影響。

在此，引入兩種風(fēng)載環(huán)境進(jìn)行分析，一種是對支架底部彎矩最大的縱向風(fēng)，另一種是對支架底部扭矩最大的橫向風(fēng)。風(fēng)向示意圖如圖3所示。

有關(guān)風(fēng)載論述和研究的文獻(xiàn)[6-11]較多，對于不同的研究問題，研究人員提出了多種可計算風(fēng)載的方法。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]規(guī)定，作用在結(jié)構(gòu)單元面積上的風(fēng)荷載應(yīng)按下式計算：

式中：ω是作用在結(jié)構(gòu)單位面積上的風(fēng)荷載；βz是風(fēng)振系數(shù)，βz=1.0；μs是風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz是風(fēng)壓高度變化系數(shù)，μz=1.52；ω0是基本風(fēng)壓，ω0=766 N/m2。

作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載應(yīng)按下式計算：

式中：An是結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積。

計算的橫向風(fēng)荷載如表1所示。

縱向風(fēng)荷載如表2所示。

3.3? ? 構(gòu)建模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征尺寸參數(shù)構(gòu)建仿真分析模型，為減少仿真分析的計算量，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。將構(gòu)建的仿真分析模型簡化為立柱和斜撐兩部分，立柱和斜撐都依據(jù)尺寸選用SHELL181殼單元和SOLID187體單元。將GNSS天線、設(shè)備艙和天線罩分別簡化為一個剛體，以質(zhì)點(diǎn)的形式施加在安裝位置上。

全部材料選用316L不銹鋼，彈性模量E為193 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為170 MPa。安全系數(shù)取1.5，許用應(yīng)力為113.3 MPa。

3.4? ? 風(fēng)載分析

對仿真模型施加表1和表2中計算的荷載，計算35 m/s的橫向風(fēng)、縱向風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響，計算結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4為35 m/s的橫向風(fēng)對結(jié)構(gòu)的變形仿真結(jié)果，從圖中可知，35 m/s的橫向風(fēng)會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生1.46 mm的變形，對結(jié)構(gòu)的變形影響可以忽略。產(chǎn)生的最大應(yīng)力為59.4 MPa，位置在主支架與斜撐交接處。

圖5為35 m/s的縱向風(fēng)對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力仿真結(jié)果，從圖中可知，35 m/s的縱向風(fēng)會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大1.84 mm的變形，最大變形位置在支架頂端，對結(jié)構(gòu)的變形影響可以忽略。產(chǎn)生的最大應(yīng)力為71.2 MPa，位置在主支架與斜撐交接處。

比較以上模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在35 m/s的縱向風(fēng)載條件下，最大應(yīng)力為71.2 MPa，小于許用應(yīng)力113.3 MPa，整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，主支架確定為外徑114 mm、壁厚3 mm的316L不銹鋼管。

4? ? 結(jié)論

本文以某型接收天線技術(shù)要求為依據(jù)，設(shè)計了一種外形緊湊、重量較輕的天線支架，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，滿足抗風(fēng)指標(biāo)要求，適合架設(shè)在無人值守的站點(diǎn)內(nèi)。通過有限元分析得出以下結(jié)論：

（1）本文的方法能夠獲得滿意的計算仿真結(jié)果，能夠明顯分析出結(jié)構(gòu)的形變和應(yīng)力分布；

（2）通過分析形變、應(yīng)力的計算結(jié)果，可以確定符合要求的設(shè)計參數(shù)。

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收稿日期：2023-03-03

作者簡介：徐國梁（1991—），男，山東淄博人，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。