梁　國，王　建

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種共形天線陣支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

梁國，王建

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：針對(duì)垂直起降無人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)輕量化、天線陣結(jié)構(gòu)便于展開和收放的需求，借助于共形天線的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一種可折疊式天線陣支架。利用SolidWorks軟件建立可折疊式天線陣支架的有限元模型，通過有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的固有頻率和振型；然后對(duì)天線陣支架進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，得到天線陣支架在寬帶隨機(jī)激勵(lì)下的等效應(yīng)力云圖和位移響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，天線陣支架的結(jié)構(gòu)滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：天線陣支架；共形；模態(tài)分析；隨機(jī)振動(dòng)分析

0引言

近年來，小型多旋翼垂直起降無人機(jī)的應(yīng)用和研究受到有關(guān)方面的廣泛重視。小型旋翼無人機(jī)可以完成超低空偵察、干擾、監(jiān)視等各種復(fù)雜任務(wù)[1]。旋翼無人機(jī)由于能夠垂直起降、自由懸停，可執(zhí)行各種速度及各種飛行剖面航路的飛行任務(wù)。它具有如下幾個(gè)特點(diǎn):① 體積小、重量輕和隱蔽性好,適合多平臺(tái),多空間使用,可以在地面、軍艦上靈活垂直起降，不需要彈射器和發(fā)射架進(jìn)行發(fā)射； ② 飛行高度低,具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性,執(zhí)行特種任務(wù)能力強(qiáng),微小型多旋翼無人機(jī)飛行高度為幾米到幾百米,飛行速度為每秒幾米到幾十米，能鉆到建筑物或洞穴隧道內(nèi)執(zhí)行偵察任務(wù),便于在復(fù)雜環(huán)境下使用,可以對(duì)細(xì)小環(huán)節(jié)進(jìn)行偵察；③ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,安全性好,多旋翼無人機(jī)可以提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的目標(biāo)探測(cè)信息，成本較低,拆卸方便，且易于維護(hù)[2]。

由于旋翼無人機(jī)大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，受到蓄電池容量的限制，續(xù)航力較短，承載能力較小，載荷重量對(duì)續(xù)航力的影響比較敏感。這對(duì)負(fù)載提出了輕量化的要求，特別是多陣子陣列天線，在輕量化的前提下，如何保證天線陣支架的剛強(qiáng)度，進(jìn)而使天線陣子在飛行振動(dòng)、降落沖擊等惡劣的環(huán)境條件下保持偵測(cè)精度，這是設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中需要考慮的問題[3]。本文在垂直起降無人機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)5陣子天線陣進(jìn)行了共形[3]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助于ANSYS軟件對(duì)天線陣進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

該天線載荷為5陣子天線陣載荷，陣子天線所形成圓形陣的直徑為1.2 m，懸掛在無人機(jī)機(jī)身的正下方，5陣子天線陣布局如圖1所示。

圖1　5陣源天線陣布局圖

在進(jìn)行天線陣支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足4個(gè)要求：

① 重量要求：為了盡可能的增大無人機(jī)的續(xù)航能力，需滿足整個(gè)天線陣總重量的要求；

② 天線陣支架和六旋翼的對(duì)接要求：垂直起降無人機(jī)自帶起落架，天線陣和六旋翼無人機(jī)如何對(duì)接，要解決碳纖維材質(zhì)的起落架對(duì)天線的遮擋；

③ 結(jié)構(gòu)形式與剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)：天線陣5陣子天線所形成的圓陣直徑為1.2 m，跨度較大，天線陣支架要經(jīng)受住六旋翼無人機(jī)降落、飛行過程時(shí)的沖擊和振動(dòng)；

④ 可折疊要求：為了便于架設(shè)、回收、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，5根天線桿要采取可折疊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

天線陣支架示意圖如圖2所示，中心支桿可以減小天線桿的受力狀況。

圖2　天線陣支架示意圖

結(jié)合載機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和5陣子天線陣布局特點(diǎn)，采用共形設(shè)計(jì)理念，去掉載機(jī)原有起落架，將無人機(jī)起落架和天線陣支架在結(jié)構(gòu)上融為一體，5陣源天線陣支架在保證天線陣相對(duì)陣型的同時(shí)，起到起落架的作用，不僅降低了系統(tǒng)重量，而且避免了原有碳纖維起落架對(duì)天線的遮擋。材質(zhì)選取上采用碳纖維復(fù)合材料、鋁合金和塑料相結(jié)合，極大地降低了天線陣的重量。

天線陣系統(tǒng)的展開狀態(tài)如圖3所示，回收狀態(tài)如圖4所示。

圖3　工作狀態(tài)　　　圖4　回收狀態(tài)

1.2　可折疊式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于天線系統(tǒng)的架設(shè)、收放、運(yùn)輸和貯存，設(shè)計(jì)了一套可折疊系統(tǒng)，主要包括中心法蘭、轉(zhuǎn)接件、銷軸、卡箍和蝶形螺母等。要執(zhí)行任務(wù)展開時(shí)，將天線桿卡在卡箍的卡槽內(nèi)，蝶形螺母旋緊，天線桿即被限制在固定的位置，如圖5所示。要回收時(shí)，松開蝶形螺母，將天線桿從卡箍的卡槽內(nèi)扳出即可。

圖5　可折疊式結(jié)構(gòu)

2靜力學(xué)分析

2.1　有限元模型的簡(jiǎn)化

天線陣支架由多種不同材質(zhì)的零件組裝而成，為使建立的模型能更好地反應(yīng)支架結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能，本文在對(duì)支架結(jié)構(gòu)作如下假設(shè)；

① 零部件兩兩之間視為剛性聯(lián)接，不考慮零部件之間的非線性因素；

② 不考慮結(jié)構(gòu)中的細(xì)小部分，比如較小的倒角和圓角，構(gòu)造等原因需要開的小孔，這樣能有效地改善網(wǎng)格劃分的質(zhì)量并提高仿真計(jì)算速度[4]。

2.2　前處理過程

材料屬性的設(shè)定：天線支架共用到3種材料，分別為碳纖維復(fù)合材料、鋁合金和尼龍塑料，在ANSYS中分別對(duì)各零部件賦予相應(yīng)的材質(zhì)屬性，材料屬性如表1所示。

表1　材料屬性

網(wǎng)格的劃分：為了提高仿真精度，劃分網(wǎng)格時(shí)。天線陣子的爪盤和方位關(guān)節(jié)的圓柱形桿的受力狀況對(duì)天線的性能有較大的影響，網(wǎng)格劃分較密，支架的剩余部分網(wǎng)格劃分較疏，以提高仿真運(yùn)行速度。

約束與加載：在進(jìn)行靜力分析時(shí)，5個(gè)陣子天線的下端面和中心支桿的下端面為約束面。在模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析中，設(shè)備艙的上端面為約束面。

2.3　靜力學(xué)分析

六旋翼飛機(jī)具有懸停的特點(diǎn)，著陸時(shí)降落速度較小，沖擊比較小，但是著陸地面不夠平整或者著陸瞬間飛機(jī)和地面不是完全平行，會(huì)出現(xiàn)其中某一根或者兩根陣子天線先著陸，其他陣子天線后著陸的現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)停穩(wěn)后，整個(gè)飛機(jī)的重量都靠天線陣支架的中心支桿和5個(gè)陣子天線支撐。理論上，整個(gè)載機(jī)的質(zhì)心和中心支桿共線，但是有可能一個(gè)陣子天線先著地，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)心偏離中心，使5根天線桿受力不均勻。考慮到安全裕度，假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的重量為150 N，另外增加一個(gè)偏心力50 N，總計(jì)重量20 kg，力的施加面為設(shè)備艙的上端面，如圖6所示。

經(jīng)過仿真計(jì)算，天線陣在靜力作用下的，受力狀況如圖7所示。通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析，可知，在施加質(zhì)心偏離中心的靜力作用下，天線陣受力較大的部件為質(zhì)心偏移這一側(cè)的天線桿，天線桿上受力最大的部位為靠近卡箍的部位，這也驗(yàn)證了該天線陣結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)就是動(dòng)力臂長(zhǎng)阻力臂短，天線桿容易局部受力。但是從圖7可以看出，天線桿靠近卡箍的部位最大應(yīng)力為400 MPa左右，天線桿材質(zhì)為碳纖維復(fù)合材料，強(qiáng)度為1 600 MPa左右，因此在靜力作用下，天線陣結(jié)構(gòu)是安全的。

圖6　天線陣支架受力示意圖　圖7　靜力作用下應(yīng)力圖

3動(dòng)力學(xué)分析

3.1　模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，主要研究系統(tǒng)在無阻尼狀態(tài)下自身的振動(dòng)特性，即系統(tǒng)自身的固有振動(dòng)頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)[8]。

低階頻率對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性起主要作用，結(jié)構(gòu)低階共振頻率越高，其動(dòng)態(tài)剛性越好[9]。在這里提取該支架結(jié)構(gòu)無載荷狀態(tài)下前12階固有頻率。天線支架的前12階固有頻率如表2所示。

表2　前6階固有頻率和振型特征

從圖8可看出，模態(tài)第1階振型表現(xiàn)為5個(gè)天線桿繞中心軸扭動(dòng)，從圖8~圖10可以看出，模態(tài)第2階~第10階振型表現(xiàn)為天線桿局部的相對(duì)擺動(dòng)。

圖8　模態(tài)1階、2階振型圖

圖9　模態(tài)3階、4階振型圖

圖10　模態(tài)5階、6階振型圖

從圖11可以看出，模態(tài)第11階、12階振型表現(xiàn)為整體不規(guī)則扭動(dòng)。模態(tài)分析結(jié)果表明，天線陣的桿式結(jié)構(gòu)使得整個(gè)天線陣的前幾階共振頻率較低，在裝配時(shí)注意零部件之間要固定牢固，盡量增大其剛性。

圖11　模態(tài)11階、12階振型圖

3.2　隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析是一種采用功率譜密度作為輸入的譜分析，是一種確定響應(yīng)出現(xiàn)特定值的概率大小的分析方法。隨機(jī)振動(dòng)分析是一種采用功率譜密度作為輸入的譜分析，是一種確定響應(yīng)出現(xiàn)特定值的概率大小的分析方法[10,11]。在天線支架設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，可以得到其在力學(xué)環(huán)境條件下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。六旋翼振動(dòng)環(huán)境主要是寬帶隨機(jī)振動(dòng)，主要是六旋翼旋翼、氣流激勵(lì)等因素產(chǎn)生[12]，本次加載的寬帶隨機(jī)振動(dòng)范圍為5~1 000 Hz，功率譜密度為0.06 g2/Hz，加載點(diǎn)為設(shè)備艙和六旋翼機(jī)身安裝面，方向?yàn)樨Q直方向，振動(dòng)功率譜型曲線如圖12所示。

圖12　振動(dòng)功率譜型

經(jīng)過仿真計(jì)算，可得支架3σ等效應(yīng)力如圖13所示，3σ位移響應(yīng)如圖14所示。從圖13中可以看出，3σ最大等效應(yīng)力為396 MPa，發(fā)生在天線桿和卡箍的接觸部位，另外天線桿和陣子天線接觸的地方受力也比較大。

圖13　3σ等效應(yīng)力

從圖14可以看出，最大振幅位移為8 mm，發(fā)生在陣子天線的尾部。最大3σ等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于天線桿碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度1 600 Mpa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。對(duì)于陣子天線的位移大小，要結(jié)合陣子天線的測(cè)向性能，總質(zhì)量要求，決定是否增加天線桿直徑及壁厚，及其他部件的剛度，以抑制在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下天線陣子的振幅。

圖14　3σ位移響應(yīng)

4結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種可折疊式天線陣支架，采用天線陣支架和起落架共形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了天線陣系統(tǒng)的任務(wù)功能，減輕了系統(tǒng)的重量，有利于系統(tǒng)的收放。力學(xué)分析結(jié)果表明，天線陣系統(tǒng)的剛強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

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引用格式:高志明，何應(yīng)然，張文靜．一種純介質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬帶反射陣天線單元特性分析[J]．無線電通信技術(shù)，2016，42( 1) : 69-72．

Structure Design and Simulation Analysis on Conformal
Antenna Support

LIANG Guo,WANG Jian

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：Aiming at the requirements of lightweight,easy deployment and retraction of the antenna support,a kind of foldable antenna support is designed by means of the conformal antenna concept.The finite element model of the foldable antenna support is built based on SolidWorks software.The static analysis and modal analysis are performed by mean of ANSYS software to obtain the natural frequencies and mode shapes of system.The random vibration analysis is carried out to obtain the equivalent stress contour and displacement response of the claw plate antenna support under the excitation of broadband random vibration.The simulation results show that the structure of antenna support can meet the design requirements.

Key words：antenna support;conformal;modal analysis;random vibration analysis

作者簡(jiǎn)介：梁國(1983—)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)仿真分析。王建(1974—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論證與電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA7074016C)

收稿日期：2015-09-21

中圖分類號(hào)：TN820.8+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)01-65-4

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.17 10．3969/j．issn．1003-3114．2016．01．18

引用格式：梁國，王建.一種共形天線陣支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].無線電通信技術(shù),2016,42(1):65-68.