MSC Patran/Nastran软件2.4m偏置栅格天线结构力学分析

任兵锐，武织才，兰 菲

(中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081)



MSC Patran/Nastran软件2.4m偏置栅格天线结构力学分析

任兵锐，武织才，兰 菲

(中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081)

阐述了2.4米偏置栅格天线的建模、加载、及进行力学分析的过程及结果，最后得出了天线整体在不同工作状况时的变形及应力数据，为结构及电气设计人员进行后续优化改进天线系统提供了有力的数据支撑。

天线结构；栅格天线；变形；有限元

0 引言

天线被广泛应用于通信、导航定位、雷达、射电天文、卫星广播电视等国防军事，国民经济的各个领域。作为天线主体之一的天线结构，在实际应用当中会受到重力、风力、温度等的影响，造成天线结构形变，天线整体的形变直接导致天线电性能的降低，因此天线主体必须具有足够的强度和刚度，在要求的工况下不可发生破坏及影响正常使用的变形。当今世界经济飞速发展的今天，制造业企业面临着缩短新产品研制周期，降低产品生产成本的巨大压力，有限元分析在此背景下得到了越来越广泛的应用，成功运用有限元分析技术可以有效提高企业竞争力。本文利用MSC Patran/Nastran软件对不同工作状态下的单偏置抛物面栅格天线进行了力学仿真分析。

1 天线技术要求

根据电性能指标和工作环境的要求，本天线结构设计指标要求如下：

俯仰转动范围：-3°～+5°

方位转动范围：135°

天线重量：≤500kg

天线风荷：≤300kg(27m/s)

2 天线结构

2.1 天线反射体的组成

单偏置抛物面栅格天线为车载天线，为了使得天线具有足够的刚度、强度，而又不至过重超出指标要求，所以天线结构需要进行轻量化设计。天线主反射体由背架及栅条构成，天线背架则由双层椭圆口无缝钢管对焊组成框架，8根横梁及8根纵梁沿反射体曲线趋势空间交叉相贯，栅支板固定于横纵梁节点处，作为栅条的支撑。天线主反射面由拉制成型的铝制空心栅条构成，重量轻，强度高，漏空度大，横向间隔14mm沿理论抛物线均匀分布，有效降低了风载荷。天线系统的馈源为悬臂式结构设计，使用拉杆固定于反射体以增加强度，几乎不产生对反射体的电信号遮挡，效率较高。在以上既要减轻重量又要保证刚度的结构设计基础上对天线结构的强度提出了较高的要求。

2.2 天线座的组成

天线座主要由方位组合和俯仰组合构成。方位组合由底座(铸铝)、方位轴承齿轮和方位转盘构成，用于实现天线反射体的水平方向方位运动。俯仰组合由左右端板和俯仰圆筒组成，天线反射体通过俯仰端板与天线座连接，以实现垂直方向俯仰运动。

图1 天线结构

3 结构分析

3.1 有限元模型的建立

图2 天线结构的有限元模型(俯仰角0°)

对2.4m栅格天线进行有限元模型的分析，主要用于确定天线结构在一定条件下的应力、应变，为保证天线系统的精度及可靠性，模拟找出天线结构力学性能和重量的平衡点。为了精确的再现复杂的天线结构，在有限元分析软件MSC Patran/Nastran中采取自底向上的建模方法,考虑到解算精度和软件的计算量，对天线的三维模型进行简化，删除部分小零件，删除部分零件的倒角和连接孔等对结构计算精度影响不大的部分，将简化完毕的天线三维模型导入有限元分析软件，对不同部分分配单元类型、实常数、材料属性、截面属性等。然后进行网格划分并合理分配各部分网格的大小。根据天线各部分的结构特点及使用要求，采用了不同的单元，这样，既可以保证仿真计算的精度又可以控制计算的规模。模型中，背架和栅支板采用梁单元模拟,可以承受不同方向上的拉压、扭转、弯曲影响，用壳单元模拟底座和方位转盘可承受拉压力，用实体单元模拟方位轴承可承受径向及轴向压力。俯仰部分由左右端板和俯仰圆筒组成，各部分都采用壳单元模拟所有的焊接和螺栓连接都被处理为刚性连接。节点总数：8692；单元总数：8504；单元种类包括梁，壳和实体等。

3.2 风载的计算和施加

该天线系统为车载天线，所涉及的载荷主要包括风力载荷、自重载荷、天线运动时的惯性载荷、温度载荷等。本文只考虑风力载荷和自重载荷。根据风向的不同和天线俯仰角度的不同，计算时选取正面吹风、背面吹风和侧面吹风三种风向，自重载荷由软件给出重力加速度后，施加在整个有限元模型上。风力载荷直接施加在栅条面板上。

风力载荷由如下公式得来：

风力F=CFqA

式中:

CF——为风力系数，该系数与物体的形状和雷诺数Re有关，可由风洞实验得到。

v——风速；

A——面板口径面积；

风载直接施加在面板上。根据《天线结构设计》可以得到天线反射体在不同风向角下天线面板不同区域的风压系数。风压系数是由风洞实验得到的。

3.3 施加天线约束

栅格天线的底座通过螺母固定于车顶，因此分析计算天线反射面在自重载荷和风力载荷作用下的变形，就可以将约束施加在和车顶相连的天线底座上,即使有限元离散后天线底座上的所有节点六个方向的自由度均为零。天线座与车体连接处全约束，如图3所示。

图3 天线约束

3.4 定义各项材料属性

该天线材料采用Q235钢和硬质合金铝。材料参数如表1所示：

表1 材料属性

3.5 计算结果

根据工作条件和收藏条件，采用上述建立的天线有限元模型,在最大工作载荷(风速27 m/s)作用下，选取五种不同的天线工作状况，分别计算该天线在不同工作状况时的刚度特性与强度特性,并对仿真计算结果作相应的分析。

仿真分析中共计算了5种工况，图(4-7)列出了第2、5、工况下变形及应力图。

表3 工作环境下最大位移、最大应力

图4 自重+27 m/s阵风45度正吹变形

图6 自重+27 m/s阵风背吹变形

图7 自重+27 m/s阵风背吹应力

3.6 结果分析

通过MSC Patran/Nastran求解计算,得到了天线结构在最大工作载荷(风速27 m/s)下的不同工作状况时的天线变形与应力, 从分析结果可以看出：在工作环境下(风载：27m阵风)，天线最大位移16.1mm发生在自重+27 m/s阵风背吹；最大应力121Mpa发生在自重+27 m/s阵风45度正吹，小于材料的许用应力。满足天线刚度特性上的设计要求。

4 结论

综上所述,本文对工作状态下的2.4m偏置栅格天线进行了有限元建模及力学分析，所得分析结果，可以指导天线的结构设计，大大缩短了研发设计的周期，可以对该天线系统在生产装配过程中可能出现的问题进行可靠的预测，及时发现结构设计时不合理的地方，指导设计人员及时进行改进。有限元分析对工程的顺利完成起到了重要的作用，为天线结构的合理化设计提供了可靠的数据支撑。

[1] 段宝岩．天线结构分析、优化与测量[M]．西安：西安电子科技大学出版社，1998.

[2] 赵汝嘉．机械结构有限元分析[M]．西安：西安交通大学出版社，1990.

[3] 叶尚辉. 建立有限元模型的一般方法[J]. 电子机械工程，1999.

[4] 杜平安. 结构有限元分析的形状处理方法[J]. 机械与电子，2000.

Structure analysis of 2.4 meters offset grid antenna in MSC Patran/Nastran

REN Bing-rui，WU Zhi-cai，LAN-fei

(ChinaCommunicationSystemCo.,Ltd.HebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China)

In this paper，the 2.4 meters offset grid antenna modeling, loading, and the process and results of mechanical analysis are described,the deformation and stress data of the whole antenna in different working conditions are obtained.Provide strong data support for the structural and electrical designers to optimize the antenna system.

Antenna structure; Grid antenna; Deformation; Finite element

2016-08-24

任兵锐(1978-)，男，学士,主要研究方向：天线产品工艺研究.

1001-9383(2016)03-0023-06

TN820

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