一种共形天线阵支架的结构设计与仿真分析

梁　国，王　建

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



一种共形天线阵支架的结构设计与仿真分析

梁国，王建

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：针对垂直起降无人机任务系统轻量化、天线阵结构便于展开和收放的需求，借助于共形天线的设计理念，设计了一种可折叠式天线阵支架。利用SolidWorks软件建立可折叠式天线阵支架的有限元模型，通过有限元软件ANSYS对其进行静力分析和模态分析，得到系统的固有频率和振型；然后对天线阵支架进行随机振动分析，得到天线阵支架在宽带随机激励下的等效应力云图和位移响应。仿真结果表明，天线阵支架的结构满足刚强度设计要求。

关键词：天线阵支架；共形；模态分析；随机振动分析

0引言

近年来，小型多旋翼垂直起降无人机的应用和研究受到有关方面的广泛重视。小型旋翼无人机可以完成超低空侦察、干扰、监视等各种复杂任务[1]。旋翼无人机由于能够垂直起降、自由悬停，可执行各种速度及各种飞行剖面航路的飞行任务。它具有如下几个特点:① 体积小、重量轻和隐蔽性好,适合多平台,多空间使用,可以在地面、军舰上灵活垂直起降，不需要弹射器和发射架进行发射； ② 飞行高度低,具有很强的机动性,执行特种任务能力强,微小型多旋翼无人机飞行高度为几米到几百米,飞行速度为每秒几米到几十米，能钻到建筑物或洞穴隧道内执行侦察任务,便于在复杂环境下使用,可以对细小环节进行侦察；③ 结构简单,成本低,安全性好,多旋翼无人机可以提供准确实时的目标探测信息，成本较低,拆卸方便，且易于维护[2]。

由于旋翼无人机大多采用电机驱动，受到蓄电池容量的限制，续航力较短，承载能力较小，载荷重量对续航力的影响比较敏感。这对负载提出了轻量化的要求，特别是多阵子阵列天线，在轻量化的前提下，如何保证天线阵支架的刚强度，进而使天线阵子在飞行振动、降落冲击等恶劣的环境条件下保持侦测精度，这是设计者在设计过程中需要考虑的问题[3]。本文在垂直起降无人机的基础上，对5阵子天线阵进行了共形[3]结构设计，借助于ANSYS软件对天线阵进行了结构强度分析。

1结构设计

1.1　总体结构方案设计

该天线载荷为5阵子天线阵载荷，阵子天线所形成圆形阵的直径为1.2 m，悬挂在无人机机身的正下方，5阵子天线阵布局如图1所示。

图1　5阵源天线阵布局图

在进行天线阵支架结构设计时，必须满足4个要求：

① 重量要求：为了尽可能的增大无人机的续航能力，需满足整个天线阵总重量的要求；

② 天线阵支架和六旋翼的对接要求：垂直起降无人机自带起落架，天线阵和六旋翼无人机如何对接，要解决碳纤维材质的起落架对天线的遮挡；

③ 结构形式与刚强度设计：天线阵5阵子天线所形成的圆阵直径为1.2 m，跨度较大，天线阵支架要经受住六旋翼无人机降落、飞行过程时的冲击和振动；

④ 可折叠要求：为了便于架设、回收、运输和储存，5根天线杆要采取可折叠式的结构设计。

天线阵支架示意图如图2所示，中心支杆可以减小天线杆的受力状况。

图2　天线阵支架示意图

结合载机的结构特点和5阵子天线阵布局特点，采用共形设计理念，去掉载机原有起落架，将无人机起落架和天线阵支架在结构上融为一体，5阵源天线阵支架在保证天线阵相对阵型的同时，起到起落架的作用，不仅降低了系统重量，而且避免了原有碳纤维起落架对天线的遮挡。材质选取上采用碳纤维复合材料、铝合金和塑料相结合，极大地降低了天线阵的重量。

天线阵系统的展开状态如图3所示，回收状态如图4所示。

图3　工作状态　　　图4　回收状态

1.2　可折叠式系统的结构设计

为了便于天线系统的架设、收放、运输和贮存，设计了一套可折叠系统，主要包括中心法兰、转接件、销轴、卡箍和蝶形螺母等。要执行任务展开时，将天线杆卡在卡箍的卡槽内，蝶形螺母旋紧，天线杆即被限制在固定的位置，如图5所示。要回收时，松开蝶形螺母，将天线杆从卡箍的卡槽内扳出即可。

图5　可折叠式结构

2静力学分析

2.1　有限元模型的简化

天线阵支架由多种不同材质的零件组装而成，为使建立的模型能更好地反应支架结构的实际力学性能，本文在对支架结构作如下假设；

① 零部件两两之间视为刚性联接，不考虑零部件之间的非线性因素；

② 不考虑结构中的细小部分，比如较小的倒角和圆角，构造等原因需要开的小孔，这样能有效地改善网格划分的质量并提高仿真计算速度[4]。

2.2　前处理过程

材料属性的设定：天线支架共用到3种材料，分别为碳纤维复合材料、铝合金和尼龙塑料，在ANSYS中分别对各零部件赋予相应的材质属性，材料属性如表1所示。

表1　材料属性

网格的划分：为了提高仿真精度，划分网格时。天线阵子的爪盘和方位关节的圆柱形杆的受力状况对天线的性能有较大的影响，网格划分较密，支架的剩余部分网格划分较疏，以提高仿真运行速度。

约束与加载：在进行静力分析时，5个阵子天线的下端面和中心支杆的下端面为约束面。在模态分析和随机振动分析中，设备舱的上端面为约束面。

2.3　静力学分析

六旋翼飞机具有悬停的特点，着陆时降落速度较小，冲击比较小，但是着陆地面不够平整或者着陆瞬间飞机和地面不是完全平行，会出现其中某一根或者两根阵子天线先着陆，其他阵子天线后着陆的现象。当飞机停稳后，整个飞机的重量都靠天线阵支架的中心支杆和5个阵子天线支撑。理论上，整个载机的质心和中心支杆共线，但是有可能一个阵子天线先着地，会使整个系统质心偏离中心，使5根天线杆受力不均匀。考虑到安全裕度，假设整个系统的重量为150 N，另外增加一个偏心力50 N，总计重量20 kg，力的施加面为设备舱的上端面，如图6所示。

经过仿真计算，天线阵在静力作用下的，受力状况如图7所示。通过对仿真数据的分析，可知，在施加质心偏离中心的静力作用下，天线阵受力较大的部件为质心偏移这一侧的天线杆，天线杆上受力最大的部位为靠近卡箍的部位，这也验证了该天线阵结构的缺点就是动力臂长阻力臂短，天线杆容易局部受力。但是从图7可以看出，天线杆靠近卡箍的部位最大应力为400 MPa左右，天线杆材质为碳纤维复合材料，强度为1 600 MPa左右，因此在静力作用下，天线阵结构是安全的。

图6　天线阵支架受力示意图　图7　静力作用下应力图

3动力学分析

3.1　模态分析

模态分析是动力学分析的基础，主要研究系统在无阻尼状态下自身的振动特性，即系统自身的固有振动频率和振型，它们是承受动态载荷的结构设计中的重要参数[8]。

低阶频率对系统动力学特性起主要作用，结构低阶共振频率越高，其动态刚性越好[9]。在这里提取该支架结构无载荷状态下前12阶固有频率。天线支架的前12阶固有频率如表2所示。

表2　前6阶固有频率和振型特征

从图8可看出，模态第1阶振型表现为5个天线杆绕中心轴扭动，从图8~图10可以看出，模态第2阶~第10阶振型表现为天线杆局部的相对摆动。

图8　模态1阶、2阶振型图

图9　模态3阶、4阶振型图

图10　模态5阶、6阶振型图

从图11可以看出，模态第11阶、12阶振型表现为整体不规则扭动。模态分析结果表明，天线阵的杆式结构使得整个天线阵的前几阶共振频率较低，在装配时注意零部件之间要固定牢固，尽量增大其刚性。

图11　模态11阶、12阶振型图

3.2　随机振动分析

随机振动分析是一种采用功率谱密度作为输入的谱分析，是一种确定响应出现特定值的概率大小的分析方法。随机振动分析是一种采用功率谱密度作为输入的谱分析，是一种确定响应出现特定值的概率大小的分析方法[10,11]。在天线支架设计过程中进行随机振动仿真分析，可以得到其在力学环境条件下的动力学响应。六旋翼振动环境主要是宽带随机振动，主要是六旋翼旋翼、气流激励等因素产生[12]，本次加载的宽带随机振动范围为5~1 000 Hz，功率谱密度为0.06 g2/Hz，加载点为设备舱和六旋翼机身安装面，方向为竖直方向，振动功率谱型曲线如图12所示。

图12　振动功率谱型

经过仿真计算，可得支架3σ等效应力如图13所示，3σ位移响应如图14所示。从图13中可以看出，3σ最大等效应力为396 MPa，发生在天线杆和卡箍的接触部位，另外天线杆和阵子天线接触的地方受力也比较大。

图13　3σ等效应力

从图14可以看出，最大振幅位移为8 mm，发生在阵子天线的尾部。最大3σ等效应力远小于天线杆碳纤维复合材料的强度1 600 Mpa，满足强度设计要求。对于阵子天线的位移大小，要结合阵子天线的测向性能，总质量要求，决定是否增加天线杆直径及壁厚，及其他部件的刚度，以抑制在随机振动环境下天线阵子的振幅。

图14　3σ位移响应

4结束语

设计了一种可折叠式天线阵支架，采用天线阵支架和起落架共形结构设计理念，实现了天线阵系统的任务功能，减轻了系统的重量，有利于系统的收放。力学分析结果表明，天线阵系统的刚强度满足设计要求。

参考文献

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[2]张永生.机载对地观测与地理空间信息现场直播技术[J].测绘科学技术学报[J],2013,30(1)：1-5.

[3]梁国.爪盘式天线支架的结构优化与仿真分析[J].无线电通信技术,2015,41(3):59-62.

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[11]刘阳,熊望娥,申维娜.基于ANSYS 的某航天光学指向摆镜系统的随机振动分析[J].机械设计与制造,2010(4):18-20.

[12]杨文芳,魏强,朱兰琴.基于有限元分析的机载电子设备的减振设计[J].振动与冲击,2010，29(5):230-234.

引用格式:高志明，何应然，张文静．一种纯介质结构的宽带反射阵天线单元特性分析[J]．无线电通信技术，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

作者简介：梁国(1983—)，男，硕士研究生，工程师，主要研究方向：电子设备结构设计与力学仿真分析。王建(1974—)，男，高级工程师，主要研究方向：电子系统结构论证与电子设备结构设计。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA7074016C)

收稿日期：2015-09-21

中图分类号：TN820.8+8

文献标识码：A

文章编号：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：梁国，王建.一种共形天线阵支架的结构设计与仿真分析[J].无线电通信技术,2016,42(1):65-68.