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        基于MATLAB語言的架空地網(wǎng)成形分析

        2015-05-30 12:25:34張峰袁英光徐宗剛
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2015年35期

        張峰 袁英光 徐宗剛

        摘 要:為了保證架空地網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠、成形美觀,該文以某項目中使用的地網(wǎng)為研究對象,提出了計算地網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸及拉力的一種近似解析方法。針對地網(wǎng)線幾何非線性的特點,首先根據(jù)給定的地網(wǎng)線最大垂度要求對地網(wǎng)線進行受力分析,然后根據(jù)各地網(wǎng)線的拉力及自重對邊索進行了受力成形分析。該文運用MATLAB語言對該地網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了成形分析計算,并將計算結(jié)果作為架空地網(wǎng)設(shè)計的依據(jù)。該計算方法經(jīng)過了實際工程應(yīng)用驗證,結(jié)果表明成形良好,適用于網(wǎng)格狀架空地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成形分析計算。

        關(guān)鍵詞:MATLAB 架空地網(wǎng) 成形分析

        中圖分類號:P7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)12(b)-0145-02

        短波天線離地面的電高度都較小,所以天線的輻射圖和阻抗要受到地面的影響[1]。地網(wǎng)具有減小天線地面損耗、改善天線等效地平面導(dǎo)電性能、提高天線增益的功能。傳統(tǒng)的地網(wǎng)一般采用密布埋地方式,但是這種地網(wǎng)的缺點是占地大,且地網(wǎng)所在土地的使用受到嚴(yán)格控制[2]。對于不便于埋設(shè)地網(wǎng)的場地,可以采用架高地網(wǎng)的方式。該文主要介紹了一種架空地網(wǎng)的成形分析方法,可作為架空地網(wǎng)的設(shè)計依據(jù)。

        1 結(jié)構(gòu)組成

        地網(wǎng)主要組成如圖1所示,主要由內(nèi)部骨架、外部柔索和地網(wǎng)線組成。內(nèi)部骨架采用桅桿分段垂直支撐、角鋼水平支撐的方式。外部采用鋼絲繩等柔索結(jié)構(gòu)支撐,末端固定于桅桿支撐上。地網(wǎng)線選用不銹鋼絲繩材料,其交叉點采用綁扎的方式連為一體。

        地網(wǎng)分成三種形式的模塊:即模塊一、模塊二和模塊三(如圖1所示)。每種模塊均由內(nèi)部骨架、外部柔索和地網(wǎng)線三種基本部件組成。通過三種模塊的組合可以實現(xiàn)地網(wǎng)的擴展。

        2 力學(xué)計算

        地網(wǎng)模塊內(nèi)部骨架水平支撐,可近似看作剛性支撐。地網(wǎng)模塊一,四周為剛性支撐,模塊二有兩條邊為柔索,兩條邊為剛性支撐,模塊三有一條邊為柔索支撐,三條邊為剛性支撐。對于柔索支撐,需要計算出柔索的分段長度及受力。三種模塊除邊界條件有所區(qū)別外,其余分析過程基本一致,下面以模塊二為例詳細(xì)介紹其分析過程。

        2.1 坐標(biāo)系建立

        坐標(biāo)系選取,以內(nèi)部支撐相交點為坐標(biāo)原點0點,x軸、y軸和z軸如圖2所示。

        2.2 地網(wǎng)線受力分析

        單根地網(wǎng)線的拉力不僅影響其本身的垂度,而且也會影響到邊索的成形(水平垂度和垂直垂度的大小)。因此,地網(wǎng)線拉力的確定既要考慮本身垂度的要求也要考慮地網(wǎng)整體的平整度。根據(jù)地網(wǎng)線的垂度要求確定地網(wǎng)線的初始拉力值,再根據(jù)地網(wǎng)整體的平整度進行局部調(diào)整,以達(dá)到各項要求。

        地網(wǎng)線整體為對稱結(jié)構(gòu),在xoy投影面上地網(wǎng)線的投影為平行于x、y方向的等間距交叉直線。沿x方向地網(wǎng)線在xoz投影面受到自身重力和y方向地網(wǎng)線重力作用,相當(dāng)于單根柔索受到多個集中載荷作用。在此對地網(wǎng)線采用力矩平衡原理對其進行分析,在對地網(wǎng)線進行第一次分析計算時,需要根據(jù)地網(wǎng)線垂度初算出一組地網(wǎng)線水平拉力H0,待計算出邊索垂度后,重新計算地網(wǎng)線長度,并更新地網(wǎng)線水平拉力進行不斷地迭代計算。

        以沿x方向地網(wǎng)線為例進行分析,圖3為地網(wǎng)線上某單元的受力分析圖。

        根據(jù)力矩平衡關(guān)系得:

        (1)

        其中,為地網(wǎng)線上i-1處集中載荷(垂直力),和分別為i-1點和i點處的彎矩。

        因柔索不能承受彎矩,故有,從而由式(1)可推出:

        (2)

        經(jīng)坐標(biāo)變換后,在總體坐標(biāo)系中,式(2)變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

        (3)

        其中,分別為地網(wǎng)線上i-1點和i點在總體坐標(biāo)系中的x和z坐標(biāo)值。

        2.3 求解方法

        作為一種編程語言和可視化工具,MATLAB具有非常強大的功能,它具有使用方便、功能強大、界面友好、語言自然、開放性強等特點,成為應(yīng)用科學(xué)中計算機輔助分析、設(shè)計、仿真等不可缺少的基礎(chǔ)軟件 [3]。

        應(yīng)用MATALAB語言進行編程計算出地網(wǎng)的成形尺寸。計算流程圖如圖4所示,圖中df0和bhf0分別為設(shè)計人員給定的地網(wǎng)線和邊索的垂度設(shè)計值,ddf和bhdf為為地網(wǎng)線和邊索水平垂度允許的誤差值。

        3 算例分析

        地網(wǎng)線選用φ3 mm不銹鋼絲繩,邊吊索選用φ9.5 mm不繡鋼絲繩,地網(wǎng)線根數(shù)17根,網(wǎng)格間距1 m×1 m。表1為MATLAB輸出的地網(wǎng)力學(xué)計算結(jié)果。

        依據(jù)此成形計算方法設(shè)計的架空地網(wǎng),實際應(yīng)用于某大型天線陣的架空地網(wǎng)建設(shè)中,地網(wǎng)架設(shè)一次成形,且成形良好,很好的滿足了天線陣對地網(wǎng)的設(shè)計要求。

        4 結(jié)語

        該文提出一種架空網(wǎng)格狀地網(wǎng)的成形計算方法。通過理論分析計算和工程實踐的實施情況表明:該方法在實際天線工程中應(yīng)用效果良好,可以滿足天線對地網(wǎng)成形的要求。此外,該計算方法應(yīng)用簡單、計算便捷,對大型架空地受力分析有良好的工程應(yīng)用價值。

        參考文獻(xiàn)

        [1]郵電部北京設(shè)計所.天線和饋電線[M].北京:人民郵電出版社,1985.

        [2]張軼江,章文勛.采用架高地網(wǎng)的中波天線分析[J].東南大學(xué)學(xué)報,2004,34(3):305-309.

        [3]崔怡.MATLAB5.3實例詳解[M].北京:航空工業(yè)出版社,1999.

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