一种天线支架的结构设计及有限元分析

徐国梁 康鹏 徐兴盛 彭浩宸

摘要：结合某型接收天线使用要求，设计了一型天线支架，并对其进行有限元分析。分析在12级风作用下天线支架的应力和变形，确定了具体的设计参数，实现了结构安全可靠和轻量化。所提方法适用于天线支架的静力学分析问题，可为同类型设计提供参考。

关键词：天线支架；结构设计；有限元分析

中图分类号：TH113    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）12-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.014

0    引言

某型接收天线，安装在沿海地区及岛礁的台站中，台站常年无人值守，安装架设仅由两人完成。此类使用环境对天线支架的设计提出了一定要求，既要保障天线性能，又要满足安全性、可靠性、运输性等要求。结构过于轻薄会被强风破坏，过于厚重会导致成本增加且安装困难，因此设计结构合理的天线支架非常重要。

目前，一些学者围绕此类结构设计、风载分析问题开展了大量工作。文献[1]建立了某型雷达天线的有限元分析模型，通过强度分析等方法实现了对天线结构设计、生产与决策的指导。文献[2]仿真了天线支架在不同结构形式、材料和厚度条件下的应力和变形，最终确定了天线支架具体的设计路线。文献[3]设计了三种不同结构形式的全向天线支架，并对其进行模态分析、随机振动分析，根据分析结果获得了最优的结构形式。

本文设计了一型天线支架，并使用有限元分析软件，仿真模拟在12级风作用下的应力和变形。依据仿真结果，确定了相关设计参数。

1    技术要求

该型天线为固定站使用，应满足下列技术指标及环境要求：

（1）天线支架具有足够的强度和刚度，为电路单元的连接和固定提供安全可靠的支撑。12级风时（风速35 m/s）要求雷达天线不能被破坏。

（2）设备舱为19 in（0.48 m）标准上架式机箱，可实现室内外通用。

（3）天线支架重量不超过35 kg。

（4）设备露天放置，满足防盐雾要求。

2    结构设计

2.1    设计方案

天线总高约1 500 mm，整体结构由天线支架、设备舱、遮阳罩、天线罩（内含接收天线）、GNSS天线等组成。天线罩固定在天线支架顶端，GNSS天线和设备舱布置在支架两侧，结构如图1所示。

天线支架主体由316L不锈钢管、316L不锈钢板焊接而成。主支架长1 300 mm，主支架底部与底盘相连，附带4个三角形斜撑。底盘开孔与混凝土基座预埋螺栓相对应。支架顶部的法兰盘采用类似结构，与主支架焊接为一体，开孔与天线托盘对应。结构如图2所示。

在主支架的两侧面焊有两处不锈钢板法兰盘，侧支架、设备舱通过对应螺栓与法兰盘连接。侧支架由外径51 mm的316L不锈钢管弯折而成，GNSS天线通过螺栓连接固定在其顶端。

2.2    材料選择及表面处理工艺

选用耐腐蚀材料是抗盐雾的最有效方法之一。为防止盐雾环境造成设备表面出现锈蚀，在天线支架、机箱等材料上选择316L不锈钢，在天线罩等材料上选择用玻璃钢，均具有良好的抗盐雾腐蚀性。

316L不锈钢是含钼元素奥氏体不锈钢，与铝合金、304不锈钢等材料相比，具有更好的抗化学腐蚀性，可以耐硫酸、磷酸等强酸腐蚀，在海水环境中也可表现出很好的耐腐蚀性能，因此广泛应用于船只、沿海建筑物及设备；并且316L具备优良的焊接性[4]，适合在此类天线支架中使用。

天线支架使用的316L不锈钢材料均采用表面钝化工艺。表面钝化是指金属经强氧化剂或电化学方法氧化处理，使表面变为不活泼态即钝态的过程，是使金属表面转化为不易被氧化的状态，从而延缓金属的腐蚀速度的方法。通过钝化，可以有效提高不锈钢表面的耐腐蚀性能，可提高抗盐雾性能10～20倍甚至更高。

同时，天线支架整体喷漆。在设备外表面均匀喷涂油漆，采用“底漆+中间层+面漆”的多层喷漆工艺，形成一定厚度的漆膜，隔绝水分子、盐雾分子向零件表面的渗透和腐蚀，达到隔绝盐雾的作用，进一步增强设备抗盐雾性。

3    有限元分析

3.1    概况

为实现天线支架强度高、重量轻的目标，在保证整体结构抗风能力的前提下，要求钢管的壁厚尽可能薄，因此需要分析天线支架结构在12级风载作用下的静力学性能。

当设备受到风载荷时，会在主支架与斜撑的交接处产生应力集中，为防止被破坏，主支架需要足够的壁厚，壁厚又决定了天线支架的总重量，因此通过有限元分析合理选择主支架壁厚尤为重要。

为保证接插件安装空间，主支架内径需大于100 mm。根据文献[5]，选取外径114 mm的316L不锈钢管，壁厚规格选取最薄的3 mm，此时天线支架总重量31 kg，满足设计要求。

3.2    风载计算

设备使用时会受到来自不同方向的风载影响，天线支架会出现弯曲和扭转两种形态，以上两种形态都会影响天线支架的强度。因此在仿真分析时，要考虑不同方向风作用下的影响。

在此，引入两种风载环境进行分析，一种是对支架底部弯矩最大的纵向风，另一种是对支架底部扭矩最大的横向风。风向示意图如图3所示。

有关风载论述和研究的文献[6-11]较多，对于不同的研究问题，研究人员提出了多种可计算风载的方法。

根据文献[6]规定，作用在结构单元面积上的风荷载应按下式计算：

式中：ω是作用在结构单位面积上的风荷载；βz是风振系数，βz=1.0；μs是风荷载体型系数；μz是风压高度变化系数，μz=1.52；ω0是基本风压，ω0=766 N/m2。

作用在结构上的风荷载应按下式计算：

式中：An是结构的迎风面积。

计算的横向风荷载如表1所示。

纵向风荷载如表2所示。

3.3    构建模型

根据结构的特征尺寸参数构建仿真分析模型，为减少仿真分析的计算量，对结构进行简化。将构建的仿真分析模型简化为立柱和斜撑两部分，立柱和斜撑都依据尺寸选用SHELL181壳单元和SOLID187体单元。将GNSS天线、设备舱和天线罩分别简化为一个刚体，以质点的形式施加在安装位置上。

全部材料选用316L不锈钢，弹性模量E为193 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为170 MPa。安全系数取1.5，许用应力为113.3 MPa。

3.4    风载分析

对仿真模型施加表1和表2中计算的荷载，计算35 m/s的横向风、纵向风对结构的影响，计算结果如图4和图5所示。

图4为35 m/s的横向风对结构的变形仿真结果，从图中可知，35 m/s的横向风会使结构产生1.46 mm的变形，对结构的变形影响可以忽略。产生的最大应力为59.4 MPa，位置在主支架与斜撑交接处。

图5为35 m/s的纵向风对结构的应力仿真结果，从图中可知，35 m/s的纵向风会使结构产生最大1.84 mm的变形，最大变形位置在支架顶端，对结构的变形影响可以忽略。产生的最大应力为71.2 MPa，位置在主支架与斜撑交接处。

比较以上模拟结果，发现最大应力出现在35 m/s的纵向风载条件下，最大应力为71.2 MPa，小于许用应力113.3 MPa，整体结构满足强度要求，主支架确定为外径114 mm、壁厚3 mm的316L不锈钢管。

4    结论

本文以某型接收天线技术要求为依据，设计了一种外形紧凑、重量较轻的天线支架，整体结构稳定可靠，满足抗风指标要求，适合架设在无人值守的站点内。通过有限元分析得出以下结论：

（1）本文的方法能够获得满意的计算仿真结果，能够明显分析出结构的形变和应力分布；

（2）通过分析形变、应力的计算结果，可以确定符合要求的设计参数。

[参考文献]

[1] 吴乐平.基于ANSYS的某雷达天线结构有限元分析[J].电子机械工程，2010，26（4）：50-52.

[2] 戎建丰，戎宏飞.天线支架的结构设计与分析[J].无线电工程，2012，42（8）：54-55.

[3] 杨潇杰，葛鲁宁.一种全向天线支架有限元分析[J].机械设计与制造，2015（5）：196-198.

[4] 胡玉婷，董鹏飞，蒋立，等.海洋大气环境下TC4钛合金与316L不锈钢铆接件腐蚀行为研究[J].中国腐蚀与防护学报，2020，40（2）：167-174．

[5] 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差：GB/T 17395—2008[S].

[6] 建筑结构荷载规范：GB 50009—2012[S].

[7] 岳振兴，周勤.ANSYS有限元分析及其在某雷达天线座结构设计中的应用[J].电子机械工程，2004，20（2）：18-20.

[8] 孙芳锦，徐中豪，王岩露.大跨度双曲屋盖结构表面风驱雨压力分布研究[J].应用力学学报，2020，37（1）：209-215.

[9] 秦静.地面伞天线系统的抗风性分析[J].机电信息，2017（15）：142-143.

[10] 王丽君，佟丽莉.地面雷达天线罩风载下的数值模拟与风洞试验研究[J].工程力学，2016，33（增刊1）：283-289.

[11] 周超，楊洪波，吴小霞，等.1.2 m望远镜风载作用分析[J].红外与激光工程，2011，40（5）：889-893．

收稿日期：2023-03-03

作者简介：徐国梁（1991—），男，山东淄博人，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。