高剛重比天線結(jié)構(gòu)剛強度優(yōu)化設(shè)計與分析*

張燕娜，許 粉，任茹菲

（1. 中國電子科技集團公司第三十九研究所，陜西西安 710065；2. 陜西省天線與控制技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065）

引 言

天線的功能是發(fā)射和接收電磁波信號，其工作精度主要取決于反射面的形面精度以及高剛強度的天線結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)車載天線為了適應(yīng)復(fù)雜路況和惡劣工作環(huán)境（風載荷、振動載荷、溫度載荷及疲勞載荷等）并能開展工作，普遍存在重量重、轉(zhuǎn)動不靈活、跟蹤目標靈敏度低等問題，其應(yīng)用深受限制。所以有必要對車載天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和分析，使天線在復(fù)雜環(huán)境下具有高的結(jié)構(gòu)剛強度，不易變形，不遭破壞，從而提升其工作精度及工作效能。本文對天線背架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，提出了井形和桁架形兩種背架結(jié)構(gòu)形式的車載天線，并采用有限元法對天線在風載荷、振動載荷和自重載荷作用下的剛度和強度進行了分析，驗證車載天線在結(jié)構(gòu)剛強度滿足極端環(huán)境條件下的使用需求，擴寬了車載天線的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真參數(shù)確定

1.1 高剛重比車載天線設(shè)計

該天線主要由反射面、背架及安裝座等組成。要求天線在20 m/s風速下變形小于1.5 mm，在滿足強度要求條件下天線正常工作。天線主要依靠反射面來反射電磁波信號，若反射面表面精度高，剛性好，則反射效率高，天線工作效能高。常見的反射面有實體反射面、金屬網(wǎng)反射面和柵格狀反射面。實體反射面反射電磁波信號的效率最高，因此選擇碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)（即“三明治”結(jié)構(gòu)[1]）的實體反射面。由于碳纖維復(fù)合材料可為反射面提供高的比強度、比模量、輕質(zhì)量、高穩(wěn)定性和高可靠性，因此由碳纖維復(fù)合材料制成的反射面具有較高的曲面精度，可滿足反射面輕質(zhì)量、高精度的要求。兩種背架結(jié)構(gòu)天線尺寸如圖1所示。

圖1 兩種背架結(jié)構(gòu)天線尺寸

天線背架作為整個天線的主要承力部件，既要保證天線在車載環(huán)境下結(jié)構(gòu)不被破壞，又要確保天線能夠保持高精度的電訊性能[2]。天線背架為反射面提供結(jié)構(gòu)支撐，保證天線的剛強度。圓拋物面天線的背架大致有以下3種結(jié)構(gòu)型式：輻射狀結(jié)構(gòu)、六角星形結(jié)構(gòu)和方格狀結(jié)構(gòu)[3]，如圖2所示。輻射狀結(jié)構(gòu)對稱性好，各輻射梁的尺寸與形狀完全相同，易于加工和裝配；六角星形結(jié)構(gòu)將反射面劃分成大小均勻的區(qū)域，反射面的大小基本相等；方格狀結(jié)構(gòu)的橫梁和豎梁比較均勻地分布在反射面上，將反射面劃分為若干等間距的區(qū)域，使反射面上各區(qū)域的變形趨于一致。

圖2 拋物面天線背架結(jié)構(gòu)形式

天線反射面精度由天線自身結(jié)構(gòu)的剛度決定，而天線背架結(jié)構(gòu)直接影響天線整體的剛強度，因此根據(jù)車載天線的工作特性，天線背架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的關(guān)鍵問題是實現(xiàn)高剛強度的同時還要兼顧輕量化特性。因此，以方格狀結(jié)構(gòu)形式為基礎(chǔ)對天線背架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)反射面的曲率和外形包絡(luò)，采取橫梁和豎梁的分割方式均勻劃分反射面區(qū)域。這種網(wǎng)格區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式可增強反射面的整體受力能力，使得各區(qū)域變形相對一致，且易于實現(xiàn)天線輕量化。本文對天線背架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用井形結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。井形結(jié)構(gòu)的背架自帶翻邊，易于與反射面一體成型，背架與反射面近似一體的結(jié)構(gòu)形式，成型穩(wěn)定性好；桁架結(jié)構(gòu)為反射面提供的支撐區(qū)域較多，反射面抗外載荷的能力增強，易于提升天線整體的剛強度。天線背架選用與反射面相同的碳纖維復(fù)合材料。該材料具有極小的熱膨脹系數(shù)，很高的比強度、比彈性模量以及良好的物理、力學(xué)性能的可設(shè)計性[4]，可滿足天線背架高曲率精度和輕量化的設(shè)計要求。

圖3 背架結(jié)構(gòu)形式

1.2 車載天線受力載荷分析與計算

設(shè)計和分析天線時，主要考慮剛度和強度。首先要確定的是天線所受載荷。天線工作在露天環(huán)境，在進行強度計算時，風載荷往往起著決定性作用，振動載荷對天線的強度也有一定的影響；在進行剛度計算時，重力載荷是主要載荷，但因風載荷會引起反射面和背架變形，影響反射面精度，引起偏焦和指向誤差，因此在天線的剛度計算中，風載荷的影響也不可忽略[5]。

天線重力載荷G=mg（m為天線質(zhì)量，g為重力加速度）。風載荷很難根據(jù)理論進行計算，因為影響風載荷的關(guān)鍵因素（風阻系數(shù)、陣風因子及反射面上的風壓分布）在不同地理位置各有不同。由于設(shè)計載荷的單一性，沒有考慮到天線所受載荷的隨機性和天線多工況工作環(huán)境的復(fù)雜性，因此風載荷一直都是較難模擬的載荷[6]。一般來說，對于剛性好、自振周期短的結(jié)構(gòu)，風載荷不會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大振動，因此可以認為風載荷是一種靜力載荷。本文的天線剛性較好，自振周期較短，非穩(wěn)態(tài)風壓不會引起較大的振動，因此風載荷按照靜載荷考慮[7]。天線風壓q的計算公式為：

式中：V為風速，m/s；g為重力加速度；KR為風阻系數(shù)，主要取決于物體的形狀與風向；Kg為陣風因子，當給定風速為平穩(wěn)風速時，按國軍標選為1.42，當給定風速為最大風速時則取為1；Kh為高度因子，按表1選擇。

表1 高度因子

2 有限元建模與分析

2.1 天線模型網(wǎng)格劃分與物性參數(shù)

采用ANSYS仿真分析軟件對天線剛度和強度進行仿真計算，天線有限元模型（圖4）由天線反射面、背架、安裝座等組成。天線反射面材料為碳纖維T300及鋁蜂窩，背架材料為碳纖維T300，安裝座材料均為鋁合金，對應(yīng)的材料物性參數(shù)見表2。

表2 材料物性參數(shù)

圖4 天線有限元模型

如圖4所示，有限元模型中對天線安裝座與轉(zhuǎn)臺連接處的6個方向（X,Y,Z,RX,RY,RZ）自由度進行全約束。反射面和安裝座與背架采用共節(jié)點的方式連接，對倒角和減輕孔等特征（對結(jié)構(gòu)剛度和強度性能的影響可忽略）進行簡化。反射面、背架和安裝座采用板殼單元SHELL181來模擬。SHELL181單元[8]是一個4結(jié)點單元，每個結(jié)點具有6個自由度，即X,Y,Z方向的位移自由度和繞X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。它適合用于分析具有一定厚度的殼體結(jié)構(gòu)，可用于多層結(jié)構(gòu)材料（如復(fù)合層壓殼體或夾層結(jié)構(gòu)）的建模。

2.2 ANSYS仿真結(jié)果與分析

2.2.1 風載荷

（1）天線井形背架結(jié)構(gòu)

在ANSYS分析過程中將風載荷和重力載荷精確模擬到天線有限元模型中，通過調(diào)整風載荷的加載方向及加載區(qū)域，對天線進行迎風面和背風面兩種工況的仿真分析。天線井形背架結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果為：迎風面的最大位移為1.13 mm，最大變形出現(xiàn)在反射面頂端，最大應(yīng)力為38.6 MPa，出現(xiàn)在安裝座處；背風面的最大位移為1.38 mm，最大變形出現(xiàn)在反射面頂端，最大應(yīng)力為62.2 MPa，出現(xiàn)在安裝座處，如圖5所示。

圖5 井形背架天線仿真分析云圖

（2）天線桁架形背架結(jié)構(gòu)

在ANSYS分析過程中將風載荷和重力載荷精確模擬到天線有限元模型中，通過調(diào)整風載荷的加載方向及加載區(qū)域，對天線進行迎風面和背風面兩種工況的仿真分析。天線桁架形背架結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果為：迎風面的最大位移為1.17 mm，最大變形出現(xiàn)在反射面頂端，最大應(yīng)力為14.1 MPa，出現(xiàn)在安裝座處；背風面的最大位移為1.32 mm，最大變形出現(xiàn)在反射面頂端，最大應(yīng)力為18.4 MPa，出現(xiàn)在安裝座處，如圖6所示。

圖6 桁架形背架天線仿真分析云圖

2.2.2 振動載荷

在ANSYS分析過程中將振動載荷和重力載荷精確模擬到天線有限元模型中，對天線分別加載3個方向的振動載荷進行仿真分析。天線計算結(jié)果為：井形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為48.5 MPa，出現(xiàn)在背架與安裝座的安裝位置，桁架形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為17.6 MPa，出現(xiàn)在背架與安裝座的安裝位置，如圖7所示。

圖7 天線最大應(yīng)力云圖

2.2.3 結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可知：在20 m/s風速下，天線井形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力62.2 MPa出現(xiàn)在背風工況下，發(fā)生在天線安裝座處，安全裕度為2.83；最大位移1.38 mm發(fā)生在背風工況下，位于反射面頂端。這表明天線井形背架結(jié)構(gòu)的剛度和強度滿足設(shè)計要求。

天線桁架形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力18.4 MPa出現(xiàn)在背風工況下，發(fā)生在天線安裝座處，安全裕度為11.9；天線最大位移1.32 mm發(fā)生在背風工況下，位于反射面頂端。這表明天線桁架形背架結(jié)構(gòu)的剛度和強度滿足設(shè)計要求。

在振動載荷作用下，天線井形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為48.5 MPa，天線桁架形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為17.6 MPa，均出現(xiàn)在背架與安裝座的安裝位置，表明兩種背架結(jié)構(gòu)的強度均滿足設(shè)計要求。

從表3的結(jié)果可知：在20 m/s風速下，兩種天線背架結(jié)構(gòu)的最大位移基本接近，但桁架形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比井形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小43.8 MPa；在振動載荷作用下，桁架形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比井形背架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小30.9 MPa。因此，桁架結(jié)構(gòu)和井形結(jié)構(gòu)形式的天線背架均可為反射面提供高剛度的結(jié)構(gòu)支撐，但桁架形天線背架可大幅提升天線整體的強度性能。

表3 天線仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

由于天線的工作精度主要取決于反射面精度，而反射面精度由背架來保證，因此本文從天線受到的實際工作載荷出發(fā)，對天線背架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，獲得了兩種較優(yōu)的背架結(jié)構(gòu)：井形背架和桁架形背架。同時結(jié)合ANSYS仿真分析軟件，對高剛重比車載天線在風載荷、振動載荷和自重載荷作用下的結(jié)構(gòu)剛強度進行了仿真分析。從仿真結(jié)果可知：1）井形背架結(jié)構(gòu)和桁架形背架結(jié)構(gòu)均可為反射面提供高剛度的結(jié)構(gòu)支撐；2）桁架形背架結(jié)構(gòu)在強度方面優(yōu)于井形背架結(jié)構(gòu)，在風載荷作用下的最大應(yīng)力由62.2 MPa減小到18.4 MPa，減小了43.8 MPa；在振動載荷作用下的最大應(yīng)力由48.5 MPa減小到17.6 MPa，減小了30.9 MPa。該仿真結(jié)果進一步驗證了桁架形背架結(jié)構(gòu)的天線無論是在剛度方面還是在強度方面都更適用于極端工作環(huán)境下的車載天線。該研究結(jié)果可為同類天線的設(shè)計提供理論支撐，具有顯著的經(jīng)濟效益。