陜西黃河集團(tuán)有限公司 趙冬竹 劉衛(wèi)剛 王 猛 王曉歡

一種車載三折雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陜西黃河集團(tuán)有限公司 趙冬竹 劉衛(wèi)剛 王 猛 王曉歡

本文針對(duì)車載雷達(dá)天線的技術(shù)特點(diǎn)，利用三維建模軟件設(shè)計(jì)了三折模型，并運(yùn)用結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明天線既滿足運(yùn)輸要求，又保證天線展開(kāi)狀態(tài)下得強(qiáng)度要求，符合天線設(shè)計(jì)要求。

車載；折疊天線；有限元分析

1 引言

自雷達(dá)問(wèn)世以來(lái),其技術(shù)發(fā)展迅速。一方面,雷達(dá)的威力大幅提高,使得體積不斷變大，另一方面,為了將雷達(dá)布置在多樣化的不同的場(chǎng)所，就對(duì)雷達(dá)機(jī)動(dòng)性提出了新的要求。綜合兩者需求，車載高機(jī)動(dòng)折疊雷達(dá)是雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

車載雷達(dá)是以載車平臺(tái)為安裝基礎(chǔ)的移動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)，與固定雷達(dá)相比具有機(jī)動(dòng)高，可迅速靈活轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)。但隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)中天線口徑越做越大，天線本體拆裝運(yùn)輸不方便，嚴(yán)重制約著其在移動(dòng)載體上的運(yùn)用。故大中型雷達(dá)只有具備自動(dòng)折疊功能,能夠快速自動(dòng)展開(kāi)才能真正的投入使用。

空間可展開(kāi)桁架機(jī)構(gòu)應(yīng)用已有 30 多年的歷史。其中有很多單元式桁架可展機(jī)構(gòu)的經(jīng)典應(yīng)用如國(guó)際空間站太陽(yáng)電池陣支撐機(jī)構(gòu)的鉸接桁架一維伸展臂[1]等。我國(guó)從上世紀(jì)90年代初起對(duì)雷達(dá)自動(dòng)架設(shè)技術(shù)進(jìn)行研究，取得了不少理論和實(shí)踐成果，南京十四所的胡長(zhǎng)明[2]、38所的張?jiān)鎏玔3]、電子工業(yè)部10所的梁斌[4]對(duì)機(jī)動(dòng)雷達(dá)的總體設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了闡述；東南大學(xué)的倪江生[5]等對(duì)雷達(dá)天線車的自動(dòng)調(diào)平方案進(jìn)行了論證；南京十四所的潘忠堂[6]對(duì)雷達(dá)方艙升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹；38所的程明輝[7]、戚仁欣[8]等人對(duì)地面雷達(dá)的裝載設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究；38所的張?jiān)鎏玔9]給出了某機(jī)動(dòng)雷達(dá)的總體設(shè)計(jì)方案和介紹。

2 本文的研究?jī)?nèi)容

本文是根據(jù)用戶實(shí)際需求開(kāi)發(fā)的適用于車載雷達(dá)系統(tǒng)。文中主要介紹車載7m×8m自動(dòng)折疊雷達(dá)設(shè)計(jì)。天線反射體自動(dòng)折疊技術(shù)的硏究、利用仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行三維建模和力學(xué)仿真。通過(guò)細(xì)致的指標(biāo)核算和仿真尺寸確保天線符合運(yùn)輸要求和展開(kāi)使用要求。

本文三維建模使用Pro/E軟件，作為一款成功的CAD軟件,其在三維造型軟件領(lǐng)域中一直占有著重要地位,得到了業(yè)界普遍的認(rèn)可和推廣。本文力學(xué)仿真選用Pro/E軟件自帶的Simulate模塊，作為Pro/E自帶的模塊，設(shè)計(jì)的模型能迅速的導(dǎo)入仿真模塊中快速得到模擬仿真。

3 三維建模

雷達(dá)天線系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了其研制和生產(chǎn)的難點(diǎn)也集中在天線。天線既直接承受并傳遞環(huán)境負(fù)載并要保證天線整體的電性能指標(biāo)。故天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在滿足天線電氣性能的同時(shí)合理確定可能出現(xiàn)的外負(fù)載及其組合，努力避免可能造成的傷害，以最佳的結(jié)構(gòu)型式、最少的材料和最低的成本達(dá)到足夠的剛強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)精度指標(biāo)和功能要求。根據(jù)天線系統(tǒng)實(shí)際工作的需求，由于天線陣面的尺寸較大，為了減少天線的重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，本文采用了一種近似桁架的結(jié)構(gòu)形式。

并且為了滿足鐵路運(yùn)輸要求，整個(gè)天線在運(yùn)輸狀態(tài)必須折疊。天線陣面分為五部分，分別為中間天線、左天線Ⅰ、左天線Ⅱ、右天線Ⅰ、右天線Ⅱ。運(yùn)輸時(shí)，中部天線固定不動(dòng)，左天線Ⅰ、右天線Ⅰ再通過(guò)折疊機(jī)構(gòu)向下旋轉(zhuǎn)120°，左天線Ⅱ、右天線Ⅱ再通過(guò)折疊機(jī)構(gòu)向下旋轉(zhuǎn)90°，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)控制其折疊后的位置并用液壓銷將其鎖定；在天線展開(kāi)時(shí)，左天線Ⅱ、右天線Ⅱ通過(guò)折疊機(jī)構(gòu)向上旋轉(zhuǎn)90°，左天線Ⅰ、右天線Ⅰ再通過(guò)折疊機(jī)構(gòu)向上旋轉(zhuǎn)120°，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)控制其折疊后的位置并用液壓銷將其鎖定。展開(kāi)狀態(tài)如圖1、圖2所示，折疊狀態(tài)如圖3、圖4、圖5所示。

圖1 天線展開(kāi)狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖2 天線展開(kāi)狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖3 天線折疊一次結(jié)構(gòu)圖

圖4 天線折疊狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圖5 天線折疊狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)成以上的結(jié)構(gòu)模型，既保證了天線系統(tǒng)展開(kāi)時(shí)單元排列的要求，同時(shí)也滿足了天線在折收運(yùn)輸過(guò)程中不超限，符合天線設(shè)計(jì)需求。

4 模型仿真

雖然上圖三維模型符合了運(yùn)輸和展開(kāi)時(shí)的結(jié)構(gòu)要求，但是，還要仿真其在臨界工作環(huán)境時(shí)的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，保證天線安全同時(shí)天線的剛度變形不能超過(guò)電氣要求，本文只選取天線在最惡劣狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)性能。

4.1 天線結(jié)構(gòu)載荷分析

對(duì)于大型天線，自重和風(fēng)力、冰雪載荷為主要載荷。因此，本次分析的主要載荷為:自重(含天線陣面框架自重及其承載器件等)、風(fēng)力和冰雪載荷在不同工況下的各種組合。

4.1.1 天線自重載荷

天線框架主要由鋼型材組成，其自身質(zhì)量（含電纜、陣子天線、背架等）為：

4.1.2 天線風(fēng)力載荷

工作在露天的天線，風(fēng)荷是必須考慮的一種主要載荷。特別是在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，風(fēng)荷往往起著決定性的作用。同時(shí)，風(fēng)荷引起天線陣面變形，影響陣面精度，引起波束指向誤差，因此在天線的剛度計(jì)算中，風(fēng)荷的影響是重要的。因不同結(jié)構(gòu)形式的物體在風(fēng)阻計(jì)算公式中所取的風(fēng)阻系數(shù)各不相同，所以在本雷達(dá)天線陣面的風(fēng)阻計(jì)算中，考慮到天線主框架其屬于類似桁架結(jié)構(gòu)，而桁架結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻計(jì)算并非簡(jiǎn)單地分別計(jì)算每個(gè)構(gòu)件的風(fēng)阻力然后疊加，要考慮到桁架構(gòu)件對(duì)氣流的相互干擾效應(yīng)。因此桁架的風(fēng)阻力通常按整體考慮，其阻力可以這樣確定：

式中：CD—為單根無(wú)限長(zhǎng)柱體的迎風(fēng)阻力系數(shù)；φ—是桁架的每個(gè)構(gòu)建的投影面積總和AS與桁架輪廓面積A之比；Q—桁架的動(dòng)壓；

ρ—標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下15℃時(shí)的空氣密度；v—風(fēng)速；

綜上，可以計(jì)算出兩種風(fēng)速和兩種工況下天線陣面的風(fēng)載荷值，表1為工作姿態(tài)有冰雪情況的風(fēng)載荷計(jì)算參數(shù)列表。

表1 工作姿態(tài)風(fēng)載荷計(jì)算參數(shù)列表（有冰雪載荷）

4.1.3 天線冰雪載荷

潮濕的空氣，在冬天遇到氣溫急劇下降就會(huì)在結(jié)構(gòu)物表面形成一種緊密的玻璃狀冰層，即“裹冰”，其密度為700～900kg/m3。對(duì)于該天線，其結(jié)構(gòu)基本是由三種不同截面形狀的梁結(jié)構(gòu)組成，所以，天線冰負(fù)載為：

其中，L1表示O1型材的總長(zhǎng)度，S1為O1型材單位長(zhǎng)度上的表面積；L2表示O2型材的總長(zhǎng)度，S2為O2型材單位長(zhǎng)度上的表面積；L3表示槽鋼的總長(zhǎng)度，S3為槽鋼單位長(zhǎng)度上的表面積；t 為裹冰平均厚度，?。籸x為裹冰密度。

型材的橫截面如圖9-11所示，單位(mm)：

圖9 O1型材的截面尺寸

圖10 O1型材的截面尺寸

圖11 槽鋼的截面尺寸

4.2 天線有限元模型建立

該天線為桁架結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。目前主要通過(guò)有限元分析法這種近似的數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行判斷。天線結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖6所示。

圖6 線陣面框架網(wǎng)格劃分圖

天線結(jié)構(gòu)要求在風(fēng)速≤30m/s (有冰)的工況下不損壞，對(duì)其施加4.1章所計(jì)算出的載荷，仿真結(jié)果如圖7：

圖7 30m/s風(fēng)速作用下的天線變形圖（加冰載荷）

圖8 30m/s風(fēng)速作用下的天線應(yīng)力分布圖（加冰載荷）

從仿真結(jié)果，可以看到30m/s風(fēng)速（加冰載荷）作用下，1.天線最大變形為9mm，結(jié)合此天線的使用頻段，符合此天線電氣性能要求的平面度；2.最大應(yīng)力為203MPa，經(jīng)查資料，鋼材Q460的抗拉強(qiáng)度為720MPa，綜合考慮支撐桿節(jié)點(diǎn)焊接強(qiáng)度按0.8倍計(jì)算，則最低允許強(qiáng)度為576MPa，同時(shí)其抗拉屈服極限為460MPa，可以看出該兩數(shù)值大于計(jì)算值。故從仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：上述設(shè)計(jì)方案滿足使用要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大型折疊天線進(jìn)行相關(guān)研究并利用有限元軟件分析了天線在惡劣條件下的形變和剛度。本文的主要工作和成果如下：

1)根據(jù)天線結(jié)構(gòu)、尺寸及運(yùn)輸要求,對(duì)天線進(jìn)行合理設(shè)計(jì),通過(guò)三折機(jī)構(gòu)使天線既能滿足展收時(shí)的電氣性能要求又能滿足折收時(shí)公路、鐵路等各項(xiàng)運(yùn)輸要求。

2)對(duì)天線在最惡劣狀態(tài)下進(jìn)行了有限元軟件分析了，計(jì)算結(jié)果表明天線在此工況下的剛強(qiáng)度都符合要求。

[1]Shaker John F.Static stability of a three-dimensional space truss[C]//13th Space Photovoltaic Research and Technology Conference. Washington,D C:1995:299-312.

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A Structural Design of Vehicular Three folding antenna

Zhao Dongzhu,Liu Weigang, Wang Meng,Wang Xiaohuan
(Shaanxi Huanghe River Ltd.of Corp.XI’AN 710043,China)

Aimed at the technical features of the vehicular antenna,CAD software is adopted to design a three folding model,FEA software is used to analysis the structural strength of the model.The analysis result shows that antenna not only satisfy the shipping requirements,but also ensure structure stiffness of unfolded states.Function is compliance with design.

Vehicular;Folding antenna;FEA