陳應春，宋曉斐

(1. 南京恩瑞特實業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100； 2. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

某車載天線工作狀態(tài)下的結構剛強度分析*

陳應春1，宋曉斐2

(1. 南京恩瑞特實業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100； 2. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

車載雷達具有良好的機動能力，能夠快速完成轉場運輸，在任務現(xiàn)場無需借助外部設備即可自主完成系統(tǒng)安裝架設與撤收工作，具有很好的應用前景。天線是車載雷達的重要組成部分，其反射面的精度對雷達系統(tǒng)的整體性能有著重要的影響，而反射面的精度是依靠天線自身的結構剛強度保證的，因此對天線剛度和強度的分析和研究非常必要。文中以車載偏饋拋物面天線為例，從實際的技術指標出發(fā)，運用有限元分析軟件，通過同時加載風力、自身重力和轉動慣性力等多種載荷，分析并驗證了天線結構設計的可靠性，為以后的設計和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

車載雷達；偏饋拋物面天線；風載荷；有限元

引 言

車載雷達機動性能良好，能夠快速完成轉場運輸，在任務現(xiàn)場無需借助外部設備即可自主完成系統(tǒng)安裝架設與撤收工作，具有很好的應用前景。作為雷達的重要組成部分，天線在雷達工作過程中能夠?qū)㈦姶挪òl(fā)射出去并接收進來，是雷達系統(tǒng)與外界聯(lián)系的窗口。作為有電性能要求的結構件，它與一般結構件有相同的剛強度要求，即在各種載荷作用下不發(fā)生破壞。另外，它是為電性能服務的，在各種載荷作用下的變形必須滿足電性能要求[1]。

文中的車載雷達實際工作情況比較復雜，不僅受到風力的作用，還受到其它載荷的作用。在惡劣的工作條件下，各種載荷在天線面上會產(chǎn)生相當大的作用力，所以如果天線剛強度不夠，就會產(chǎn)生大的變形甚至破壞，影響雷達的正常使用。因此，有必要對天線在各種載荷作用下的受力變形和應力情況進行研究，以檢驗其結構的可靠性。

1 天線系統(tǒng)的組成

某車載天線為散射通訊天線， 它利用空中介質(zhì)對電磁波的散射作用，在兩地進行通訊。該天線系統(tǒng)包括天線、饋源和天線座3大部分[2]。天線由反射面、背架及調(diào)節(jié)螺桿等組成，饋源由喇叭、波導、環(huán)形器、濾波器和波導同軸轉換等組成，天線座由方位機構和俯仰機構等組成。天線和饋源通過轉動支耳安裝在天線座上，天線座安裝于車載平臺上(見圖1)，實現(xiàn)天線垂直俯仰和方位旋轉。本文主要針對天線部分進行力學仿真分析。

圖1 天線系統(tǒng)組成

2 天線結構介紹

天線形式為C頻段偏饋拋物面天線，反射面口徑為1.8 m × 2.1 m。天線由反射面、背架、支耳和調(diào)節(jié)螺桿等組成(見圖2)。天線反射面采用柵條形式，使用Φ6 mm × 1 mm的細鋁管在模具上彎曲成型，兩端焊接于背架上，柵條之間取適當間距，既可以確保天線電性能不受影響，也可保證足夠的透風率；背架采用鋁型材焊接成型，保證足夠的剛強度，通過調(diào)節(jié)絲桿和天線反射面連接來調(diào)整反射面的精度。

圖2 天線三維結構圖

天線在方位上進行360°旋轉，要求其在安裝、制造、21 m/s風速、1 r/min轉速及自重等因素綜合作用下的精度(RMS)必須小于或等于0.6 mm(工作狀態(tài))，在35 m/s風速及自身重力作用下應滿足強度要求，不被破壞。

3 天線工作狀態(tài)下所受載荷分析

天線所受的載荷大致有風力、裹冰及積雪載荷、天線運動時的慣性載荷、自重、溫度載荷、饋源支架載荷以及其它載荷[3]。

對于車載雷達而言，天線在戶外工作，風載荷是必須考慮的一種主要載荷[4]；由于天線需要轉動，因此不考慮冰雪載荷，但需要考慮轉動時的慣性載荷；自重總是存在而必須予以考慮的一種載荷；由于天線口徑尺寸不大，所以不考慮溫度載荷；饋源支架安裝在天線座上，因而不考慮饋源支架載荷。從上述分析可知，天線工作時所受主要載荷為風載荷、慣性載荷和自重。

風載荷是天線受到的主要載荷，風壓計算公式為：

(1)

式中：q為風壓，Pa；V為風速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；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

天線按1 r/min的速度做方位旋轉，所受離心力計算公式如下：

Pk=mkω2r

(2)

式中：mk為集中在K點的質(zhì)量；ω為角速度；r為K點到轉動中心的距離。

天線自重計算公式為：

G=mg

(3)

式中，m為天線質(zhì)量，kg。

由于該天線剛性較好，不會有較大振動，所以以上風載荷和慣性載荷都是按照靜載荷計算的[5]。

4 有限元模型的建立

本文采用HYPERMESH軟件建模，采用ANSYS軟件計算分析。

4.1 坐標系

文中建模和分析所涉總體坐標系如圖3所示，X軸為天線側面方向，Y軸為天線受風方向，Z軸為天線重力方向。

圖3 天線有限元模型

4.2 模型簡化

模型中支耳、加強筋板、背架加強彎板和背架之間的相互連接采用剛性連接，利用CERIG單元來模擬其連接作用。對零件的倒角和凸臺等特征進行了簡化，不考慮其對結構剛度和強度性能的影響。

4.3 網(wǎng)格劃分

支耳、加強筋板和背架加強彎板采用殼單元SHELL63單元進行建模，背架和柵條采用BEAM188梁單元來模擬，調(diào)節(jié)螺桿采用CERIG單元來模擬。劃分后的網(wǎng)格模型如圖3所示。涉及的材料及其參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

5 計算及分析

5.1 天線結構剛度分析

天線在自身重力、21 m/s風速和1 r/min轉速3種載荷作用下的三向綜合變形如圖4所示。從圖4可知，天線反射面的變形量由下向上均勻遞增，其上部結構的變形較大，最大變形約為1.729 mm。經(jīng)過分析計算可以得到三向綜合變形的均方根值σ1為0.55 mm。由于天線反射面(柵條)是在模具上成型的，其加工和裝配精度靠模具保證，因此均方根σ2<0.2 mm。

圖4 天線結構的三向綜合變形(單位：mm)

天線反射面精度可用下面公式進行估算：

(4)

式中：σ1為受力變形引起的反射面誤差；σ2為加工及裝配引起的反射面誤差。

綜上所述，天線在安裝、制造、21m/s風速、1 r/min轉速及自重等因素綜合作用下的精度(RMS)小于0.6 mm(工作狀態(tài))，滿足天線結構的剛度要求。

5.2 天線結構強度分析

天線在自身重力和35 m/s風速2種載荷作用下的應力分布如圖5所示，最大應力σmax為40 959 kPa，發(fā)生在支耳和背架的連接處。

圖5 天線結構的應力分布圖(單位：kPa)

天線的最大工作應力不能超過材料的許用應力，數(shù)學表達式如下：

σmax≤[σ]

(5)

式中：σmax為天線的最大工作應力；[σ]為材料的許用應力。

材料的許用應力用下面公式計算：

(6)

式中：σu為材料的極限應力；n為安全系數(shù)。

由于鋁材5052是塑性材料，且無明顯屈服極限，因此公式又可以表示為：

(7)

式中：σs為屈服極限應力；σ0.2為名義屈服應力。

綜上所述，天線在35m/s風速及自身重力作用下滿足強度要求。

6 結束語

本文從天線的技術指標出發(fā)，采用有限元分析法對車載偏饋拋物面天線在工作狀態(tài)下的結構剛度和強度進行了理論分析和計算。結果表明：該天線的剛度在21m/s風載作用下的均方根(RMS)小于0.6mm，滿足設計指標要求；在35m/s風載作用下，其背架的局部最大應力為40 959kPa，小于5052鋁材的許用應力，滿足天線結構的強度要求。

[1] 候?qū)W兵, 高峰華. 某雷達天線的風載荷分析[J]. 電子機械工程, 2010, 26(3): 40-42.

[2] 成磊, 吳兆華. 車載氣象雷達天線工作狀態(tài)下風載荷應力研究[J]. 現(xiàn)代機械, 2007(4): 16-18.

[3] 葉尚輝, 李在貴. 天線結構設計[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 1988.

[4] 金雷. 關于雷達天線風載荷的幾個問題[J]. 電子機械工程, 2003,19(1): 33-35.

[5] 蔣爾進. 一種圓拋物面天線的有限元分析[J]. 雷達與對抗, 2004(4): 61-64.

陳應春(1982-)，男，工程師，主要從事天線結構設計工作。

宋曉斐(1971-),男，高級工程師，主要從事天線結構設計工作。

Structure Analysis of a Vehicle-borne Antenna under Operation

CHEN Ying-chun1，SONG Xiao-fei2

(1.NanjingNRIETIndustrialCo.,Ltd.,Nanjing211100,China；2.NanjinResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The vehicle-borne radar can be rapidly transported from one field to another because of its good mobility. Its mantling and dismantling can be completed without outer equipment. Therefore, it has a good application prospect. The antenna is one of the most important components of the vehicle-borne radar. Its precision, which depends on its strength, will affect the performance of the radar, so it is very necessary to study the structure rigidity and intensity of the antenna. The offset parabolic antenna is given as an example to illustrate this structure analysis with the finite element analysis software and from the real technical parameters. The reliability of the antenna is verified by loading simultaneously the wind force, gravity and the rotational inertia force. The results can be used as reference for design and optimization of the antenna in the future.

vehicle-borne radar; offset parabolic antenna; wind load; finite element

2015-12-31

TN82

A

1008-5300(2016)01-0044-04