某车载雷达天线骨架结构的有限元分析*

操卫忠，陶晓瑛

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某车载雷达天线骨架结构的有限元分析*

操卫忠，陶晓瑛

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

为满足现代雷达研发周期短、成本要求低等特点，需在结构设计阶段对天线结构进行必要的有限元仿真计算，以验证结构设计是否符合使用要求。文中针对某车载雷达天线骨架的结构形式和使用环境，利用ANSYS软件建立了天线骨架的有限元模型，进行了静力分析和模态分析，得到了天线骨架结构在工作工况和生存工况下的应力云图和变形云图以及结构的前四阶固有频率和振型。计算结果表明，该天线骨架的整体结构性能较好，在各种工况下均能满足刚强度的设计要求。

天线骨架;刚强度;有限元分析

引 言

现代雷达产品的研发普遍具有研发周期短、性能好、成本低等要求，想要在较短的时间内全面完成产品的研制，采用CAE等现代化辅助分析技术是必不可少的[1-2]。天线骨架作为整个天线的主要承力部件，既要保证天线在车载环境下结构不被破坏，又要确保天线能够保持高精度的电讯性能，因此在天线结构的设计阶段，必须对其进行必要的刚强度分析与校核，而有限元仿真计算是验证结构设计是否符合刚强度要求的重要依据。目前，有限元仿真技术在雷达的结构设计当中已经得到了广泛的应用[3-4]。

本文针对某车载雷达天线骨架的结构和环境特点，利用有限元仿真软件ANSYS对天线骨架进行了有限元数值建模、静力分析和模态分析，得到了天线骨架在指定环境条件下的应力和变形云图以及模态的固有频率和振型。

1 天线骨架结构简介

某车载天线阵面主要由天线单元、射频前端、高频箱、天线骨架等组成，在工作状态下宽24 m，高7 m。天线骨架是天线单元、天线折叠机构、射频前端等电子设备的安装基础，其刚强度直接影响到阵面精度和电讯性能。为确保运输不超限，必须设计出重量轻、刚度好、尺寸小的薄型天线骨架。天线骨架是采用圆管焊接而成的轻型空间桁架结构，为了满足整车运输宽度、高度要求，需要对天线骨架进行分块。天线骨架共分为上下6大块，即4个边块，2个中块，采用折叠机构实现阵面拼装，如图1所示。其中天线边块的骨架尺寸为6m(宽)×3.5m(高)×0.3m(厚)，天线中块的骨架尺寸为12 m(宽) × 3.5 m(高) × 0.5 m(厚)。为了合理分配并传递载荷，减轻自重，降低风阻，各分块骨架所用的钢管均采用不同的截面尺寸，中间骨架的横竖主梁采用φ60 mm的圆管作为主承力支撑，在主梁之间采用φ50 mm的圆管构建成空间桁架结构, 两边骨架的主梁和斜梁均采用φ40 mm的圆管。为保证天线结构满足刚强度设计要求，选择钢Q345作为天线骨架的主体材料。

图1 天线骨架模型

2 天线骨架有限元分析

2.1 有限元网格划分

有限元模型根据实际结构形式建立，单位采用牛顿、米、千克单位制。如图2所示，天线骨架主要由桁架结构组成，模型采用ANSYS软件中的梁单元beam188建模，分块之间的连接采用MPC184刚性单元来模拟折叠机构和锁紧机构，同时在折叠机构转轴处设置转动连接，释放转轴处的转动自由度，约束其余自由度。天线单元以及其他设备都简化成质量单元，施加在相应的位置上。底部中央局部用筋板，加强处采用shell181单元建立。主体结构材料钢Q345的材料参数见表1。

图2 天线骨架有限元模型

表1 主体结构材料钢Q345的材料参数

2.2 天线骨架静态分析

为了确保在工作状态下的精度，天线骨架需要具有足够的刚度，同时为了确保在最严酷的环境条件下能够生存，天线骨架需要有足够的强度。因此必须对骨架进行力学分析，优化其结构参数。根据相关产品的国军标环境条件，主要对下面2种工况进行分析校核。

1)工况1(保精度工作)：平稳风速25 m/s，自重，60 ℃温差(计算参考温度为20 ℃)；

2)工况2(生存)：平稳风速35 m/s，自重，60 ℃温差(计算参考温度为20 ℃)。

分析模型中通过施加均布载荷模拟风对天线骨架的影响，当给定风速为平稳风速时，风压q的计算公式为

(1)

式中：V为风速；g为重力加速度；KR为风阻系数，主要取决于物体的形状与风向，这里2种工况中均为无裹冰情况，取0.6；Kg为阵风因子，当给定风速为平稳风速时，按国军标选为1.42，当给定风速为最大风速时取1；Kh为高度因子，这里按6 m高度取为0.94，见表2。

表2 高度因子

重力加速度与阵面法向的夹角为90°，从而模拟阵面竖直工作状态。在骨架中间底部安装部位点约束6个自由度，风压等效为集中力载荷，施加在相应的节点上。载荷和约束施加的结果如图3所示。

图3 载荷和约束施加示意图

2种工况下的计算结果见表3。工作工况(工况1)下骨架最大变形为34 mm，出现在骨架上块的两侧顶端，满足电讯所提供的精度指标要求，模型相应的位移场和应力场如图4所示；生存工况(工况2)下骨架的最大应力为177 MPa，出现在骨架中块底部的约束点附近，由于Q345钢的屈服强度为345 MPa，安全系数f取值1.5，所以骨架的最大应力小于材料的许用应力，满足强度设计要求，模型相应的位移场和应力场如图5所示。

表3 2种工况下的计算结果

图4 工况1下天线骨架的变形云图和应力云图

图5 工况2下天线骨架的变形云图和应力云图

2.3 天线骨架模态分析

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型。它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是其他动力学分析问题的起点[5]。

天线骨架的动力学方程为

(2)

对于模态分析，求解系统的固有频率和模态振型，F(t)=0，C一般忽略。因此，无阻尼自由振动系统的动力学方程为

(3)

式中，x=Usin(ωt)(U为振幅，ω为频率 ，t为时间)。将x=Usin(ωt)带入式(3)得

(4)

针对天线骨架的结构特点和模型规模，采用Block Lanczos方法[2]进行自振求解分析，得到前4阶的固有频率(见表4)和振型(如图6所示)。从图6可以看出前4阶的振型基本为骨架上、下边块两侧的前后摆动。

图6 天线骨架前4阶振型

表4 天线骨架前4阶固有频率

3 结束语

从上述计算结果可以看出，天线骨架的整体结构

性能较好，均能满足环境设计要求。随着车载雷达技术的不断发展，对雷达环境的适应性、机动性等的要求以及对天线骨架的结构设计要求将会越来越高。结合有限元分析方法，对天线骨架结构性能进行设计仿真，不仅可以节约生产加工成本，缩短研制时间，还能够在保证电讯性能的前提下，优化天线的外观，减轻天线重量，因此天线骨架结构和有限元分析已成为雷达结构设计必不可少的工具。

[1] 王勖成. 有限单元法[M]. 北京：清华大学出版社, 2003.

[2] 张洪武, 关振群. 有限元分析与CAE技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[3] 查金水. 某米波雷达天线系统结构设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(2): 26-29.

[4] 陈玉振, 周勤. 基于ANSYS的雷达结构强度分析[J]. 电子机械工程, 2011, 27(1): 51-52.

[5] 刘延柱, 陈文良, 陈立群. 振动力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998.

操卫忠(1985-)，男，工程师，主要从事天线阵面结构系统设计工作。

陶晓瑛(1977-)，女，高级工程师，主要从事天线阵面结构系统设计工作。

·简讯·

美国推出一项新型纳米颗粒3D打印技术

据3Ders网站2014年4月11日报道，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室创造出了一种名为“光定向电泳沉积”的技术，该技术使用光导电极和DC电场，对表面材料进行动态仿制。这使材料得以在目标区域进行堆积，光进入目标区域与光导体表面接触。这项名为“光定向电泳沉积：任意图案3D复合材料的新型增材制造技术”已在《先进材料》上发表。

电泳沉积(EPD)作为金属或导电零件新型材料生产的一项经济型多功能加工技术，已得到越来越多的关注。陶瓷、金属、聚合物，甚至活细胞等多种材料皆可用于电泳沉积工艺。然而，到目前为止，EPD只能对整个表面而非具体的预定位置的材料进行沉积。

光定向电泳沉积技术使用光来绘制光导层材料，可将传统EPD从单层、单材料涂层工艺提升至真正的增材制造技术，允许形成独特的复合材料。作为制造复杂3D打印复合材料的一种方式，这项技术是电泳沉积技术的一次巨大进步。

FEM Analysis for Antenna Framework Structure of a Vehicle-borne Radar

CAO Wei-zhong，TAO Xiao-ying

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

To satisfy the requirements of short development period and low cost of the modern radar, the FEM calculation of the antenna is necessary at the stage of structure design. In this paper the finite element model of the antenna framework structure is established, the static analysis and the mode analysis are conducted in the actual environment conditions through ANSYS. The stress distribution graphs and deforming graphs under different environment conditions are obtained by static analysis. The first four-order inherent frequencies and vibration modes are obtained by mode analysis. The stiffness and strength performance of the framework are verified. The results show that the strength and stiffness of the structure can meet the design requirement.

antenna framework; strength and stiffness; finite element method

2014-01-14

TN82

A

1008-5300(2014)03-0057-04