有限元下某天線反射體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計
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摘要：作為主反射面、副反射面以及饋源的承載體，天線反射體是拋物面天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的核心組成部分。原有天線反射體結(jié)構(gòu)、加工和裝配工藝均較為復雜，費時費力，現(xiàn)通過三維建模軟件對原有天線反射體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，運用有限元軟件，對新反射體進行了力學分析與計算，優(yōu)化后的反射體結(jié)構(gòu)各項指標均滿足使用需求。新反射體不僅簡化了整體結(jié)構(gòu)和加工工藝，同時安裝方便，省時省力，經(jīng)濟性能也得到了較大提升。優(yōu)化后的新反射體已成功應用于多個工程，工作狀態(tài)良好。
關(guān)鍵詞：反射體；結(jié)構(gòu)；有限元；優(yōu)化設計
0引言
自1887年德國物理學家海因里希·赫茲發(fā)明拋物面天線以來，拋物面天線憑借其高方向性等特點在衛(wèi)星通信領域得到了迅速發(fā)展，已廣泛應用于通信、測控、雷達、遙感、氣象等諸多領域[1]。拋物面天線系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和信道系統(tǒng)。其中結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)主要由天線座架、天線反射體和饋源結(jié)構(gòu)三大部分組成，天線座架和地面通過基礎來固定，饋源結(jié)構(gòu)部分固定于天線反射體的中心位置[1-2]，天線反射體主要由天線主反射面、副反射面、中心體、輻射梁、環(huán)梁以及一些斜拉桿組成。本文主要是針對結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)中的天線反射體進行優(yōu)化設計。
1天線反射體設計
如圖1所示，天線反射體包括主反射面、副反射面、中心體、輻射梁、環(huán)梁、副反射面支撐桿以及一些斜拉桿。
1.1中心體
中心體是整個反射體的中心節(jié)點，將所有零部件固定在一起。原有中心體材質(zhì)Q235A，采用中間一個圓筒結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)部焊加強筋，外圍采用角鋼和T型鋼組合的焊接結(jié)構(gòu)，焊接量大，焊接時定位不便，整個中心體質(zhì)量為543kg，如圖2所示。新中心體材料不變，將原有圓筒結(jié)構(gòu)進行了適當加大，內(nèi)部焊接加強筋，外部焊接和輻射梁連接支耳的結(jié)構(gòu)，大大減少了材料的種類和數(shù)量，加工工藝簡單，焊接方便，質(zhì)量減少102kg，如
1.2輻射梁
輻射梁是整個反射體的支撐結(jié)構(gòu)，包括主反射面、副反射面支撐桿等零部件，整體材質(zhì)Q235A。原有輻射梁將H型鋼從中間進行均勻切割，將切割好的類似T型鋼和角鋼通過節(jié)點板進行焊接，如圖4所示。新輻射梁整體采用厚度為2mm的40mm×40mm方管焊接結(jié)構(gòu)，減少了材料的種類和規(guī)格，如圖5所示。新輻射梁將原有質(zhì)量由47kg降至23kg，方便了現(xiàn)場搬運和安裝；同時，新輻射梁最上端的方管根據(jù)主面曲線采用拉彎工藝，可以將原來的多種長度主面調(diào)整螺桿統(tǒng)一成一種長度，減少了主面調(diào)整螺桿的長度。
1.3環(huán)梁及斜拉桿
環(huán)梁及斜拉桿材質(zhì)均采用Q235A。原有環(huán)梁及斜拉桿部分采用角鋼，部分采用圓鋼管兩頭焊接接頭的工藝，材料種類較多，圖6為原有環(huán)梁結(jié)構(gòu)。如圖7所示，新環(huán)梁及斜拉桿均采用5mm厚50mm×50mm角鋼，兩邊打孔連接的結(jié)構(gòu)，將原有的多種材料優(yōu)化為一種材料，同時減少了焊接環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率，方便操作。通過整體的優(yōu)化設計，新反射體和原反射體在結(jié)構(gòu)形式上有了很大的變化，如圖8和圖9所示。整個優(yōu)化過程中，反射體所用材料的種類和數(shù)量大幅度較少，其中斜拉桿由原來的64根減少至現(xiàn)有的16根，整體質(zhì)量由原來的2330kg降至1445kg，輻射梁由原來的必須兩人合力才能搬移，變成現(xiàn)在一人也可以輕松挪動，大大降低了現(xiàn)場安裝人員的工作強度和工作量。
2天線反射體結(jié)構(gòu)的有限元分析
天線反射體結(jié)構(gòu)工作的穩(wěn)定性決定了整個天線系統(tǒng)是否能夠正常工作，對整個天線系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。反射體在工作狀態(tài)下，除受到自身結(jié)構(gòu)的影響外，風載荷對其影響最大，因此對反射體結(jié)構(gòu)進行了風載荷受力分析[3]。
2.1材料的選擇
根據(jù)使用要求，主反射面采用3A21軟鋁材質(zhì)，定義選取所需材料，材料的彈性模量為71GPa，密度2770kg/m3，泊松比0.33；副反射面撐桿、中心體、輻射梁、環(huán)梁等結(jié)構(gòu)均采用Q235A材質(zhì)，彈性模量為200GPa，密度7850kg/m3，泊松比0.30[3-4]。
2.2網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響有限元分析結(jié)果，本文運用SolidWorks三維建模軟件對天線反射體進行模型構(gòu)建，然后將幾何模型進行簡化，進行有限元分析。根據(jù)反射體結(jié)構(gòu)的實際使用工況，在螺栓連接的地方采用局部加密的方式，保證連接點處分析結(jié)果的準確性[5]，如圖10所示。
2.3靜力學分析
天線反射體靜力學分析時，將饋源及副反射面作為等效載荷加在各自的相應位置。面板作為質(zhì)量單元，加在背架的支撐點上。中心體、輻射梁根據(jù)各自的力學特征，離散為相應的板單元、梁單元[5-6]，選取風速30m/s，按照風正吹、風側(cè)吹、風背吹三種工況進行計算。經(jīng)過有限元分析，得到副面支撐結(jié)構(gòu)的靜力學分析結(jié)果，提取總變形和等效應力計算結(jié)果，如圖11、圖12所示。從計算結(jié)果可知，天線在30m/s風速下天線主反射面最大變形為1.2mm，經(jīng)計算，主面變形均方根σ滿足天線工作需求；天線最大應力發(fā)生在中心體下連接板上，應力最大值為44MPa，而鋼材許用應力為250MPa，天線結(jié)構(gòu)最大應力小于鋼材許用應力值，天線結(jié)構(gòu)是安全的[7-8]。如圖13所示，在56m/s風速條件下，天線處于朝天鎖定位置，此時天線所受風向角為90°，僅承受側(cè)向風力和風力矩，天線最大應力發(fā)生在中心體和輻射梁連接處，應力最大值為63MPa，天線結(jié)構(gòu)最大應力小于鋼材許用應力，天線反射體結(jié)構(gòu)是安全的，不會發(fā)生破壞，也不會發(fā)生永久性變形，天線反射體結(jié)構(gòu)設計合理。
3結(jié)論
本文通過對原有天線反射體結(jié)構(gòu)進行分析研究，將原有結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，設計了新的結(jié)構(gòu)模型，并進行了分析計算。（1）通過三維建模軟件，對天線反射體結(jié)構(gòu)中的中心體、輻射梁、環(huán)梁以及整個反射體的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計與建模，并對各零部件的所用材料和型號進行定義，計算出了各零部件的重量，為后續(xù)分析計算提供了支撐。（2）運用有限元分析軟件對優(yōu)化后的反射體結(jié)構(gòu)模型進行簡化、網(wǎng)格劃分，并對其進行了靜力學分析與計算。經(jīng)過分析與計算，優(yōu)化后的新反射體各變形參數(shù)均滿足材料的應力指標和使用需求。（3）新反射體結(jié)構(gòu)對原有結(jié)構(gòu)進行了很大的優(yōu)化，在加工過程中減少材料種類的同時，也大大節(jié)約了材料的用量；在裝配過程中，充分考慮了現(xiàn)場安裝的便捷性，降低了現(xiàn)場的工作強度和工作量。新反射體已成功應用于多個工程項目，均工作良好，未出現(xiàn)相關(guān)設計問題。在整個優(yōu)化設計過程中，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，運用專業(yè)軟件設計出多種方案，通過對比和相關(guān)試驗，最終驗證了本次優(yōu)化設計的可行性和合理性。本次優(yōu)化設計后的天線反射體結(jié)構(gòu)簡單，加工和裝配工作強度大幅降低，減少了材料的種類和數(shù)量，大大降低了反射體的重量，節(jié)約了成本，為后續(xù)的天線反射體設計提供了一定的參考。
作者:蘇偉 單位:中國電子科技集團公司第三十九研究所