高宏濤

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

某型機(jī)載衛(wèi)通天線采用等效口徑為0.2米的平板Ku頻段天線作為天線面，要求體積小、重量輕；同時(shí)滿足機(jī)載振動(dòng)及飛機(jī)大角度機(jī)動(dòng)要求。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮以上各種需求，合理選擇材料，充分優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及工藝安裝的可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模型

根據(jù)天線需求設(shè)計(jì)，該天線包含三個(gè)傳動(dòng)軸，分別為方位、俯仰、極化。同時(shí)由于使用環(huán)境是機(jī)載平臺(tái)，該天線主體材料優(yōu)先選用航空鋁7075-T6，傳動(dòng)齒輪采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb；滿足了強(qiáng)度及天線結(jié)構(gòu)輕量化的需求。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)將天線伺服控制、伺服驅(qū)動(dòng)模塊全部密閉在方位旋轉(zhuǎn)底座盒體內(nèi)，并通過(guò)組合線纜相連，保證了產(chǎn)品的電磁兼容性能；優(yōu)化了結(jié)構(gòu)件裝配的可靠性，美化線纜連接的復(fù)雜性，增加了產(chǎn)品的可靠性。三維模型如圖1所示。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，極化電機(jī)驅(qū)動(dòng)極化電機(jī)齒輪帶動(dòng)極化傳動(dòng)大齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使天線和功放組件一起旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)整個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，極化傳動(dòng)比為i1=1:17。俯仰電機(jī)帶動(dòng)小齒輪從而驅(qū)動(dòng)俯仰大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)俯仰組件轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰傳動(dòng)比為i2=1:17.5。方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪撥動(dòng)大齒輪，受反作用力的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)方位旋轉(zhuǎn)支架圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)天線方位組件運(yùn)轉(zhuǎn)，方位傳動(dòng)比為i3=1:10。

2 仿真分析

2.1 工況分析

為了驗(yàn)證該天線能否滿足機(jī)載振動(dòng)要求，采用Ansys Mechanical Enterprise 對(duì)該模型進(jìn)行力學(xué)仿真?？紤]到天線實(shí)際安裝方式，在做力學(xué)仿真時(shí)僅對(duì)天線方位傳動(dòng)法蘭盤上的8個(gè)M5螺紋安裝孔進(jìn)行固定約束，對(duì)天線的其余部件不做任何約束（見(jiàn)圖1）。

2.2 ANSYS網(wǎng)格劃分

在對(duì)該天線進(jìn)行有限元分析和振動(dòng)仿真之前，考慮到計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，如果采用天線的實(shí)際三維模型進(jìn)行振動(dòng)仿真分析，不僅增加了仿真時(shí)間，還對(duì)電腦的硬件配置要求提高，很不劃算。這就需要對(duì)實(shí)際天線三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。模型簡(jiǎn)化原則是不考慮所有對(duì)振動(dòng)影響較小的結(jié)構(gòu)部分，如尺寸較小的孔、凸臺(tái)、倒角等。簡(jiǎn)化后的模型和網(wǎng)格圖如圖2、圖3所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)

圖3 天線結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

查材料手冊(cè)可得到天線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件采用鋁合金7075，彈性模量71.7 GPa，泊松比0.3，密度2.81 g/cm3，屈服強(qiáng)度505 MPa；傳動(dòng)齒輪及軸承結(jié)構(gòu)件采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，彈性模量180 GPa，泊松比0.3，密度7.85 g/cm3，屈服強(qiáng)度為1180 MPa。

2.3 模態(tài)分析

在ANSYS模態(tài)分析中，用BlockLanczos模態(tài)提取法得到天線模型的前30階振型，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析中，低階振型對(duì)響應(yīng)影響比較大，高階可以忽略不計(jì)[1]。因此本文在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，只計(jì)算出天線模型前幾階固有頻率和振型，而不必計(jì)算出天線模型所有的固有頻率和振型。根據(jù)以上分析，本文給出了天線模型的前6階振型，如圖4所示；并將所求得的天線模型的固有頻率列于表1。

表1 天線整機(jī)模型前6階固有頻率(單位：Hz)

根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際試驗(yàn)要求，對(duì)天線整機(jī)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得天線模型實(shí)際固有頻率與模態(tài)仿真分析結(jié)果吻合較好，前六階固有頻率的誤差控制在±5%以內(nèi)，驗(yàn)證了有限元模態(tài)仿真分析的準(zhǔn)確性。

由圖4可知：整機(jī)模型一階模態(tài)振型最大位置位于天線頂端（見(jiàn)圖4-1）；整機(jī)模型二階模態(tài)振型最大位置位于天線頂端偏右位置（見(jiàn)圖4-2）；整機(jī)模型三階模態(tài)振型最大位置位于天線控制盒蓋板（見(jiàn)圖4-3）；整機(jī)模型四階模態(tài)振型最大位置位于天線控制盒蓋板偏左位置（見(jiàn)圖4-4）；整機(jī)模型五階模態(tài)振型最大位置位于天線頂端偏右位置（見(jiàn)圖4-5）；整機(jī)模型六階模態(tài)振型最大位置位于天線控制盒蓋板中間位置（見(jiàn)圖4-6）。

圖4 天線模型前6階模態(tài)分析結(jié)果

從上述模態(tài)振型圖可知，天線控制盒蓋板和天線頂端偏右位置為整個(gè)結(jié)構(gòu)框架的薄弱環(huán)節(jié)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)注意這兩個(gè)位置。

2.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析采用ANSYS中譜分析的PSD分析功能，隨機(jī)振動(dòng)是以概率為基礎(chǔ)，分析的輸入輸出都具有隨機(jī)概率特性。它的原理首先是計(jì)算模型的每階模態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)，再對(duì)它們進(jìn)行綜合，并假設(shè)隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程[5]。

在對(duì)該產(chǎn)品模型進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真時(shí)，根據(jù)本產(chǎn)品的實(shí)際隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)指標(biāo)，輸入載荷為一個(gè)寬帶功率譜密度和4個(gè)窄帶功率譜密度的疊加，如圖5、圖6所示。

利用Ansys軟件對(duì)天線模型3個(gè)方向X-Y-Z分別進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，圖7為天線模型在這3個(gè)方向上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真得出的應(yīng)力云圖，表2為該天線整機(jī)應(yīng)力響應(yīng)分析結(jié)果。

天線在X方向應(yīng)力最大值位于天線俯仰傳動(dòng)中的俯仰齒輪處，為302.4 MPa，小于齒輪材料0Cr17Ni4Cu4Nb的屈服強(qiáng)度1 180 MPa。剩余強(qiáng)度系數(shù)為3.9，滿足強(qiáng)度要求。

根據(jù)表2可以得出天線在X方向時(shí)應(yīng)力響應(yīng)最大，應(yīng)力最大值位于天線俯仰傳動(dòng)中的俯仰齒輪處，為302.4 MPa，小于齒輪材料0Cr17Ni4Cu4Nb的屈服強(qiáng)度1 180 MPa。根據(jù)計(jì)算，剩余強(qiáng)度系數(shù)為σ0.2/3σRMS，即1 180/302.4=3.9。在所用材料的許用應(yīng)力的安全范圍以內(nèi)，滿足振動(dòng)功能強(qiáng)度安全要求。

圖5 寬帶功率譜密度

圖6 窄帶功率譜密度

圖7 天線整機(jī)應(yīng)力云圖

表2 天線整機(jī)應(yīng)力響應(yīng)分析結(jié)果及說(shuō)明表

3 結(jié)論

本文對(duì)某機(jī)載平板天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)，并利用了有限元分析軟件對(duì)天線簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行了模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，得到了該天線結(jié)構(gòu)前6階固有頻率、振型及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)振型圖可以得出該天線模型的動(dòng)態(tài)特性，找出天線整機(jī)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步優(yōu)化天線整機(jī)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

（2）通過(guò)對(duì)隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果可知該天線應(yīng)力響應(yīng)最大值所處的位置。通過(guò)與所用材料的許用應(yīng)力值進(jìn)行比較可以得知材料處在許用安全范圍以內(nèi)，天線整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足材料安全性要求。

綜上所述，通過(guò)對(duì)天線整機(jī)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的比對(duì)與分析，說(shuō)明天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行且有效。