一种偶极子天线振动裂纹分析与结构优化

朱庆流　古智祥　王森　彭欢

摘要：为了解决某机载吊舱中偶极子天线在振动试验时电缆和承力结构出现裂纹的问题，本文通过模态仿真和振动试验结合的方法对其进行了研究。建立天线结构有限元网格模型，进行模态仿真，仿真结果与试验现象一致。根据仿真结果分析发现导致开裂问题的模态类型，其中低阶振动模态导致底板位移，引起安装的电缆自身弯曲振动，最终导致开裂的连锁反应。分析发现广义质量占比参数可帮助判断模态主振型。通过增加支撑和使用新材料的方法对天线进行结构优化设计，并对各方案进行仿真和比较，选取合适的实施方案。优化后的天线顺利通过振动试验考核。

关键词：偶极子天线；模态分析；振动试验；电缆布线

中图分类号：TN82 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.007

文章编号：1006-0316 （2023） 05-0040-06

Vibration Crack Analysis and Optimization of a Dipole Antenna

ZHU Qingliu，GU Zhixiang，WANG Sen，PENG Huan

（ The 29th Research Institute of CETC， Chengdu 610036， China ）

Abstract：The mechanics simulation and vibration test are carried out to resolve crack of in cables and load-bearing structures of airborne dipole antenna. Finite element mesh model of the antenna is designed for modal simulation. The simulation result is consistent with vibration test， and the affecting mode of crack is found. Low-order vibration mode causes bottom plate displacement， leading to the bending vibration of the installed cable itself， and finally results in the chain reaction of cracking. Main mode of the model can be found by generalized mass. The structure optimization design is carried out by increasing support and using new materials. Appropriate structure is found by the analysis of simulation. Finally， this structure strength of antenna is proved by vibration test.

Key words：dipole antenna；modal analysis；vibration test；wiring

機载电子设备在飞行、着陆和运输等过程中会经受复杂和恶劣的力学环境考验，振动就是其中之一。飞机外挂吊舱中的振动环境更加恶劣，外挂的振源有外挂表面气动湍流、载机振动和飞机发动机噪声等，其中气动湍流为主要振源，属于高量值连续宽带随机振动环境[1]。安装在吊舱头尾部的天线振动量值更大。某偶极子天线安装在飞机翼尖吊舱中，在单天线振动试验过程中发现电缆和结构开裂，从电缆本身特性优化没有解决开裂问题，需要从整个结构进行分析和优化。

目前针对振动引起天线电缆和结构裂纹的相关研究很少，特别缺乏多方案优化比较。黄福清等[2]通过随机振动仿真计算馈电结构应力，以增加结构圆角和约束的方式减少应力集中，但此方法没有改变天线结构整体振动特性，不适合解决本文的问题。罗道江[3]从多力学工况对天线结构进行仿真设计与优化，没有涉及振动特性与实际振动故障的联系。天线振动会引起内部电路板上芯片振动加速度响应过大，从而导致芯片焊接针脚断裂现象。潘自民等[4]通过增加印制板上螺钉固定位置和安装减振器的方式减小振动，但此机理不适用于分析电缆这种长柔性体。现有关于电缆断裂的研究，主要针对电缆本身固定或者运动不同步，没有涉及到结构振动方面的相互影响[5-7]。史创等[8]在可展开天线结构中对比分析了结构参数对振动模态的影响，通过对角斜拉索刚化将结构刚度提高了20%，此方法可以作为结构模态频率优化效果评估的参考。

针对以上问题，本文对偶极子天线结构振动裂纹进行仿真和分析，开展结构优化设计，对优化方案进行比较分析与选择，最终通过试验验证结构的安全性。

1 天线结构振动裂纹

某偶极子天线结构组成如图1所示。其中阵子片、弯板和底板为金属薄壁结构，其他结构采用非金属透波材料，由玻璃钢板材机加而成。天线为框架结构，上部4个金属板和非金属支撑通过紧固件连接成一个刚性整体，通过两个侧板与底板相连，最终安装到吊舱结构上。

天线尺寸为280 mm×150 mm×150 mm，总质量约1.1 kg。

天线振动试验分为X、Y、Z轴，每方向振动1 h，输入条件如图2所示。试验装夹时，天线通过8个螺钉固定安装在振动夹具上，夹具固定在振动台面上。试验为输入控制，加速度控制传感器安装点为夹具上靠近天线安装孔的位置。加速度响应点安装在天线顶部阵子片上。

天线依次进行X、Y和Z轴振动试验。X向振动试验完后，发现天线馈电同轴电缆中间，折弯的半刚性铜管外皮破裂。电缆外径3 mm。如图3所示。

由于电缆为半刚性，比较硬，为了减小折弯的应力，用外皮为金属丝网的柔性电缆替换，并在支撑处弯曲绑扎，天线继续做振动试验。三个方向振动试验完后，电缆表面没有损伤，但是测量驻波时发现指标严重超差，剥开电缆的金属丝网外皮发现电缆内芯断裂，如图4所示。另外，从20个天线试验结果发现，20%的天线侧板根部螺钉孔附近有裂纹，如图5所示。通过裂纹附近有氧化粉末现象和振动循环次数可判断为疲劳裂纹。

2 裂纹原因分析

2.1 问题梳理

分析馈电同轴电缆的安装状态。电缆上部安装在元器件上，元器件前后与上支撑通过螺钉连接。电缆下部安装在底板上。电缆上下两端距离80 mm，满足布线规范要求的固定间距，并绕弯以消除装配应力。另外，为满足电性能的透波要求，侧板用层压玻璃布板机加工而成，根部安装孔拉应力大时会有层间开裂的可能。

由于天线结构已经通过加速度试验的考核，因此排除天线在静载荷下结构应力超过材料极限强度而导致破坏的因素。通过天线技术状态梳理，排除了天线电缆材料、加工装配、振动试验量值、装夹方式和振动控制错误等原因。因此，天线电缆和结构裂纹产生的原因可能是振动引起天线电缆和结构的循环应力太大导致疲劳破坏。需要对天线结构的振动特性进行分析，并进行优化。

2.2 天线模态仿真

结构的振动特性一般可以通过模态仿真进行分析。综合考虑等效单元属性和计算效率等因素，对天线的三维模型进行简化，并建立有限元网格模型。其中，天线结构主要为薄壁结构，厚度范围1.2～3 mm，因此用壳单元网格模拟，定义各自的材料属性和厚度，电子元器件通过质量点模拟，并用刚性单元连接到天线上。由于电缆弯曲变形为柔性大变形，模态仿真为线性仿真，现有技术无法实现在同一个模型里进行仿真，所以省去电缆建模。整个模型边界条件为固定约束侧板根部8个螺钉孔。天线材料为5A05铝板和玻璃钢。前4阶模态仿真结果如表1和图6所示。

广义质量占比为广义质量占模型总质量的比例。

2.3 天线仿真结果分析

从模态仿真结果可看出，天线第1阶模态为底板弯曲振动，频率227 Hz。底板作为非主承力和传力结构，本身刚度已经很高。模态应力比较均匀地分布在底板四周，底板安装跨距215 mm，两侧都有翻边加强筋，可能不会导致本身破坏。但底板中间弯曲振動会带动电缆两端产生相对位移，使得电缆中间弯曲而产生交变循环应力，这应该是导致电缆开裂的原因。结构设计时未考虑这个连锁效应产生的影响。

天线第2阶模态频率为280 Hz，振型为整体侧摆，底板位移不大，对电缆不会产生弯曲振动的影响。从模态应力分布看，整体应力比较低，高应力区集中在侧板下部螺钉孔附近，和试验中侧板开裂位置一致。

天线第3阶模态为底板扭转，第4阶模态为底板加强筋弯曲，这两种模态底板中间电缆安装处没有大位移，对电缆影响可以忽略。

从模态广义质量占比中可看出，第2阶模态对结构的影响最大，其次为第1阶、第3阶和第4阶模态。其他高阶模态振动频率更高，超过主振型（第2阶模态）的2倍，广义质量占比也更低，对主振型影响很小。另外，由于低阶主振型的频率低，会将振动台的高频振动部分隔离，使之传递不到天线顶部高频模态区域[1]。因此其他高阶模态不容易激起结构共振，对结构影响小。

综上分析，第1阶模态是导致电缆开裂的原因。第2阶模态和层压玻璃钢板材料层间受力薄弱的综合因素是导致振动试验中20%的天线侧板底部开裂的原因。天线仿真分析结果与试验状态一致，需根据仿真结果对结构进行相应优化。

3 结构优化

3.1 优化设计

基于模态仿真结果，天线需要减小第1阶和第3阶模态的影响。在满足电性能要求和安装操作要求的情况下进行结构优化。

首先，对于电缆开裂问题，从电缆布线和天线结构方面消除电缆振动时的弯曲。虽然电缆沿两侧金属弯板、侧板和底板布线会减少电缆的振动，但电性能测试测试结果发现这样会影响指标，所以只能从中间对称面穿过。在底板上连接器附近增加安装孔对外连接，也能减小底板的振动，但是由于吊舱上天线安装面也不是完全刚性，装机后还是会产生振动，所以只能通过天线结构内部增加材料厚度或支撑来减少振动时电缆两端的相对位移。

其次，对于侧板根部开裂问题，需要从材料和结构出发，减小天线整体侧摆模态的影响。在侧板附近增加支撑，提高侧板刚度和整体固有频率。将侧板材料换成各向同性非金属材料，消除分层风险。由于天线质量有限制，所以在应力小的地方增加减重槽。

综上分析，考虑采用增加支撑和更换侧板材料的方式进行改进。考虑在底板、侧板和上部支撑之间增加底部支撑。侧板和底部支撑材料选择各向同性的非金属材料。短纤维增强聚醚醚酮（PEEK，Poly Ether-Ether-Ketone）复合材料具有介电常数低、强度高、模量高、易加工、耐腐蚀等优异性能[10]，虽弹性模量和抗拉强度比玻璃钢板低，但能避免层间开裂现象。

分别通过三个方案进行优化：方案1，在电缆头附近的底板和上支撑之间增加竖直支撑，消除两电缆头上下方向的相对位移，并在底板上冲加强筋。方案2，在方案1的基础上，增加斜向支撑，将侧板和上部支撑连接起来，减小天线整体侧摆。方案3，增加下整板支撑，将上支撑、底板和侧板连接起来。各方案的总质量如表2所示，其中质量变化为该方案相对原始模型质量的变化。

3.2 多方案模态仿真与对比

按照三个改进方案分别建立仿真模型，如图7所示。其中，方案1为方案2去掉底部4个斜支撑。

模型材料参数如表3所示。PEEK-GF30为玻璃钢短纤维增强聚醚醚酮复合材料，玻璃钢纤维占比30%。防锈铝合金5A05-O软状态板，延展性好，钣金折弯不易开裂。模型边界条件与原模型相同。

对三个方案分别进行模态仿真，结果如表4所示。可以看出，三个方案的前4阶模态中都没有底板中间弯曲的振型，因此电缆两端相对位移被消除，即应该消除了开裂的隐患。三个方案中天线整体左右侧摆振型的广义质量占比都最高，对整个结构的影响最大，为主振型。

方案1中的第1阶模态为整体左右侧摆，频率值176 Hz，相对原始模型的280 Hz，降低了104 Hz。原因是PEEK-GF30材料的弹性模量只有环氧层压玻璃钢板的一半左右。模态高应力分布集中在侧板下部安装孔和新增加支撑的安装孔附近。因此方案1没有达到结构加强的目的。方案2的计算结果中第1阶模态也为整体左右侧摆，频率值324 Hz，相对原始模型频率增加了44 Hz。模态应力分布比较均匀，各结构参与承力比较充分。增加的支撑杆应力较大，对结构的加强作用较明显，如图8所示。

方案3中前2阶模态都是底板局部模态，且不会引起电缆连接器区域共振。第3阶模态为整体侧摆，频率590 Hz，比原始模型频率增加了310 Hz，模态应力分布更加均匀，各结构参与承力较充分，对结构加强作用最明显。

各优化方案对天线整体侧摆模态项优化结果的比较如表5所示，其中质量和频率变化为相对方案1状态的差值。通过频率变化与质量变化的比值可以看出，方案2单位质量增加所能提高的频率值是方案3的2.1倍，优化效率更高。方案3的总质量相对原始模型增加最大0.42 kg，相对其他方案增加最多，总质量超过项目要求的1.2 kg。另外，方案3电缆底部连接器处安装和维修都需拆卸底部支撑，不利于操作。综合上述因素，项目最终选取方案2实施改进。方案3对结构的加强更加明显，在重量允许的情况下可承受更加严酷的振动环境。

4 振动试验验证

为了进一步验证天线优化方案是否满足振动试验条件要求，对20个天线实物进行振动试验。试验步骤为试验前扫频、随机振动试验和振动后扫频试验。天线试验后检查均未发现裂纹，电性能测试均正常。扫频时天线顶部监测点共振频率为305 Hz左右，考虑到振动夹具为非完全刚性，试验结果与仿真值比较一致，且每个方向前后两次的扫频结果相同，表明产品完好，能够满足振动试验条件要求。

5 结束语

为了解决偶极子天线在振动试验中内部电缆和层压板结构出现开裂的问题，考虑到电缆的非线性和层压板的非各向同性问题，通过简化的有限元模型进行模态仿真，找到结构各振动模态与开裂问题的对应关系。通过仿真结果中的广义质量占比辅助判断结构的主振型，发现结构的缺陷，从而找到结构优化的方向。

根据仿真结果，对天线结构进行优化，通过增加竖直支撑消除了电缆两端的相对振动。通过增加底部斜撑减小了天线的主振型整体侧摆，从而减小了侧板根部的应力。同时发现，主模态应力分布均匀体现了各结构参与承力比较充分，结构刚性更好。另外，使用短纤维PEEK复合材料替换环氧层压玻璃布板，综合解决了层间开裂问题。此天线电缆开裂问题的分析和优化结果，可以作为电缆布线的参考，避免类似问题的发生。

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收稿日期：2022-12-23

作者简介：朱庆流（1984－），男，安徽安庆人，硕士，高级工程师，主要从事结构设计与强度分析工作，E-mail：64226557@qq.com。