基于有限元的某天线反射体结构优化设计

摘 要：作为主反射面、副反射面以及馈源的承载体，天线反射体是抛物面天线结构系统的核心组成部分。原有天线反射体结构、加工和装配工艺均较为复杂，费时费力，现通过三维建模软件对原有天线反射体结构进行了优化设计，运用有限元软件，对新反射体进行了力学分析与计算，优化后的反射体结构各项指标均满足使用需求。新反射体不仅简化了整体结构和加工工艺，同时安装方便，省时省力，经济性能也得到了较大提升。优化后的新反射体已成功应用于多个工程，工作状态良好。

关键词：反射体;结构;有限元;优化设计

中图分类号：TN820    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）12-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.011

0    引言

自1887年德国物理学家海因里希·赫兹发明抛物面天线以来，抛物面天线凭借其高方向性等特点在卫星通信领域得到了迅速发展，已广泛应用于通信、测控、雷达、遥感、气象等诸多领域[1]。

抛物面天线系统主要包括结构子系统、伺服系统和信道系统。其中结构子系统主要由天线座架、天线反射体和馈源结构三大部分组成，天线座架和地面通过基础来固定，馈源结构部分固定于天线反射体的中心位置[1-2]，天线反射体主要由天线主反射面、副反射面、中心体、辐射梁、环梁以及一些斜拉杆组成。

本文主要是针对结构子系统中的天线反射体进行优化设计。

1    天线反射体设计

如图1所示，天线反射体包括主反射面、副反射面、中心体、辐射梁、环梁、副反射面支撑杆以及一些斜拉杆。

1.1    中心体

中心体是整个反射体的中心节点，将所有零部件固定在一起。原有中心体材质Q235A，采用中间一个圆筒结构，圆筒内部焊加强筋，外围采用角钢和T型钢组合的焊接结构，焊接量大，焊接时定位不便，整个中心体质量为543 kg，如图2所示。新中心体材料不变，将原有圆筒结构进行了适当加大，内部焊接加强筋，外部焊接和辐射梁连接支耳的结构，大大减少了材料的种类和数量，加工工艺简单，焊接方便，质量减少102 kg，如图3所示。

1.2    輻射梁

辐射梁是整个反射体的支撑结构，包括主反射面、副反射面支撑杆等零部件，整体材质Q235A。原有辐射梁将H型钢从中间进行均匀切割，将切割好的类似T型钢和角钢通过节点板进行焊接，如图4所示。新辐射梁整体采用厚度为2 mm的40 mm×40 mm方管焊接结构，减少了材料的种类和规格，如图5所示。新辐射梁将原有质量由47 kg降至23 kg，方便了现场搬运和安装;同时，新辐射梁最上端的方管根据主面曲线采用拉弯工艺，可以将原来的多种长度主面调整螺杆统一成一种长度，减少了主面调整螺杆的长度。

1.3    环梁及斜拉杆

环梁及斜拉杆材质均采用Q235A。原有环梁及斜拉杆部分采用角钢，部分采用圆钢管两头焊接接头的工艺，材料种类较多，图6为原有环梁结构。如图7所示，新环梁及斜拉杆均采用5 mm厚50 mm×50 mm角钢，两边打孔连接的结构，将原有的多种材料优化为一种材料，同时减少了焊接环节，提高了生产效率，方便操作。

通过整体的优化设计，新反射体和原反射体在结构形式上有了很大的变化，如图8和图9所示。整个优化过程中，反射体所用材料的种类和数量大幅度较少，其中斜拉杆由原来的64根减少至现有的16根，整体质量由原来的2 330 kg降至1 445 kg，辐射梁由原来的必须两人合力才能搬移，变成现在一人也可以轻松挪动，大大降低了现场安装人员的工作强度和工作量。

2    天线反射体结构的有限元分析

天线反射体结构工作的稳定性决定了整个天线系统是否能够正常工作，对整个天线系统有着至关重要的作用。反射体在工作状态下，除受到自身结构的影响外，风载荷对其影响最大，因此对反射体结构进行了风载荷受力分析[3]。

2.1    材料的选择

根据使用要求，主反射面采用3A21软铝材质，定义选取所需材料，材料的弹性模量为71 GPa，密度2 770 kg/m3，泊松比0.33;副反射面撑杆、中心体、辐射梁、环梁等结构均采用Q235A材质，弹性模量为200 GPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.30[3-4]。

2.2    网格划分

网格划分的好坏将直接影响有限元分析结果，本文运用SolidWorks三维建模软件对天线反射体进行模型构建，然后将几何模型进行简化，进行有限元分析。根据反射体结构的实际使用工况，在螺栓连接的地方采用局部加密的方式，保证连接点处分析结果的准确性[5]，如图10所示。

2.3    静力学分析

天线反射体静力学分析时，将馈源及副反射面作为等效载荷加在各自的相应位置。面板作为质量单元，加在背架的支撑点上。中心体、辐射梁根据各自的力学特征，离散为相应的板单元、梁单元[5-6]，选取风速30 m/s，按照风正吹、风侧吹、风背吹三种工况进行计算。

经过有限元分析，得到副面支撑结构的静力学分析结果，提取总变形和等效应力计算结果，如图11、图12所示。从计算结果可知，天线在30 m/s风速下天线主反射面最大变形为1.2 mm，经计算，主面变形均方根σ满足天线工作需求;天线最大应力发生在中心体下连接板上，应力最大值为44 MPa，而钢材许用应力为250 MPa，天线结构最大应力小于钢材许用应力值，天线结构是安全的[7-8]。798C12D7-4142-4A62-A798-8F84714161B4

如图13所示，在56 m/s风速条件下，天线处于朝天锁定位置，此时天线所受风向角为90°，仅承受侧向风力和风力矩，天线最大应力发生在中心体和辐射梁连接处，应力最大值为63 MPa，天线结构最大应力小于钢材许用应力，天线反射体结构是安全的，不会发生破坏，也不会发生永久性变形，天线反射体结构设计合理。

3    结论

本文通过对原有天线反射体结构进行分析研究，将原有结构进行了优化设计，设计了新的结构模型，并进行了分析计算。

（1）通过三维建模软件，对天线反射体结构中的中心体、辐射梁、环梁以及整个反射体的结构进行了优化设计与建模，并对各零部件的所用材料和型号进行定义，计算出了各零部件的重量，为后续分析计算提供了支撑。

（2）运用有限元分析软件对优化后的反射体结构模型进行简化、网格划分，并对其进行了静力学分析与计算。经过分析与计算，优化后的新反射体各变形参数均满足材料的应力指标和使用需求。

（3）新反射体结构对原有结构进行了很大的优化，在加工过程中减少材料种类的同时，也大大节约了材料的用量;在装配过程中，充分考虑了现场安装的便捷性，降低了现场的工作强度和工作量。新反射体已成功应用于多个工程项目，均工作良好，未出现相关设计问题。

在整个优化设计过程中，结合相关工程经验，运用专业软件设计出多种方案，通过对比和相關试验，最终验证了本次优化设计的可行性和合理性。本次优化设计后的天线反射体结构简单，加工和装配工作强度大幅降低，减少了材料的种类和数量，大大降低了反射体的重量，节约了成本，为后续的天线反射体设计提供了一定的参考。

[参考文献]

[1] 余丹敏.大口径可展抛物面天线支撑桁架结构优化设计及性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

[2] 陈云.高性能反射面天线分析与设计[D].西安：西安电子科技大学，2017.

[3] 苏伟.基于有限元的某卫星通信天线反射体的设计[J].电子世界，2018（8）：48-49.

[4] 苏伟，赵栋，李博，等.基于Workbench的船载“动中通”天线结构的设计[J].机电工程技术，2018，47（5）：81-83.

[5] 吴亚坤.大型可动式柱面天线结构设计与仿真分析[D].杭州：杭州电子科技大学，2020.

[6] 潘红兵.抛物面天线反射体结构设计的基本思路[J].现代机械，2013（1）：61-62.

[7] XIANG B B，WANG C S，LIAN P Y，et al.Optimal sub-

reflector position determination of shaped dual-

reflector antennas based on the parameters iteration approach[J].Research in Astronomy and Astrophysics，2019，19（4）：151-160.

[8] 沈龙，俞宪寿，李加文.EA16型十六米天线反射体静力学分析[J].电子机械工程，1996（2）：21-36.

收稿日期：2022-03-28

作者简介：苏伟（1988—），男，陕西榆林人，硕士，工程师，研究方向：天线结构设计及力学分析。798C12D7-4142-4A62-A798-8F84714161B4