微波通讯用抛物面天线工作状态的风载荷分析

张　瑾，陈向阳，刘力红，蒋　燕

(安徽理工大学机械工程学院，安徽　淮南　232001；2.西安普天天线有限公司，陕西　西安　710048)



微波通讯用抛物面天线工作状态的风载荷分析

张瑾1，陈向阳1，刘力红1，蒋燕2

(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001；2.西安普天天线有限公司，陕西西安710048)

摘要：为避免风荷在天线面上产生作用力影响天线正常使用，从实际的技术指标出发，针对工作状态的微波通讯用天线在风荷作用下可能产生破坏和失稳现象，应用有限元分析软件ANSYS对其风荷作用下的强度和刚度进行校核，得出了不同工况下天线结构各部件的应力应变情况。对结构产生应力应变的最大部位进行随机振动试验，观察是否发生变形和破坏。通过两种方法对比验证了天线设计的可靠性，为抛物面天线在不同风荷下的可靠使用提供了理论支持，指导该类型抛物面天线的结构设计和生产。

关键词：抛物面天线；风载荷；有限元法；应力应变

天线作为最基本的接收、发出信号的工具，被广泛应用于通讯、导航等领域，其结构刚度和强度是否满足技术指标的要求对整体性能有着极其重要的影响[1]。由于天线在露天环境下工作，风荷是影响天线性能最重要的载荷，风荷在天线面上产生相当大的作用力，如果天线设计的刚度和强度不够，将会产生大的变形甚至破坏，影响天线正常使用。所以有必要对天线在风载作用下的应力应变进行研究，检验其结构的可靠性[2-4]。

本文以口径φ1.3 m的微波通讯用抛物面天线为例，采用UG软件建立三维实体模型，并导入ANSYS中对天线结构在不同风载荷下的应力应变情况进行分析，求解天线结构在工作状态下的力学特性。为微波通讯用抛物面天线在不同风荷条件下的可靠使用提供了理论支持。

1φ1.3 m抛物面天线有限元模型

1.1　结构简介及有限元模型

整个天线系统是一个比较复杂的装配体，包含的零件非常多，零部件之间的装配方式也是多种形式，考虑到有限元模型复杂程度及运算，在建模时对整体结构进行了适当简化。这里简要介绍与结构刚强度关系比较紧密的部分：口径为φ1.3 m的天线反射面与中心盘、反射面和围子、围子与罩板均通过铆钉连接；中心盘和挂架通过螺栓连接，且挂架又通过螺栓紧固在抱柱上。

天线罩板、围子、抛物反射面均为薄壁结构，厚度比其它尺寸小得多，因此在ANSYS中选用SHELL63号单元。中心盘、弯板和挂架选用solid45号单元构造三维实体结构。其结构及有限元模型如图1所示。

1.2　材料性能及部件应用

根据文献[5]查得φ1.3 m抛物面天线各部件的材料力学性能如表1所示。

表1　天线结构各部件材料力学性能

2天线系统承受风荷的计算

天线所受载荷大致有以下几种类型[6-7]：①风荷；②重力；③惯性载荷；④气候载荷；⑤其他载荷。而风荷是其中最重要、起决定性作用的载荷。由于风速随时间做无规则的变化，因此风荷是一种动荷。物体所受的风力一般很难用理论来计算，通常通过实验的方式来解决[8]。风力F与流体密度ρ，流速v，流体的粘性μ，物体的主要尺寸D有关，于是可写成

F=F(v，ρ，μ，D)

(1)

用因次分析法可以得出下列关系式

(2)

因为D2∝A，A为物体的特征面积。故上式可写成

(3)

ρvD称为雷诺数，以Re表示，它是表示流动状态的一个无因次数。于是上式表示为

(4)

(5)

式中：v为风速，m/s；q为风压kN/m2。这样风力计算公式写成

(6)

本次模拟共研究了在风速25 m/s及55 m/s(生存风速)下风向角α为0°、35°、70°、92°、180°五种工况时天线的受力情况。计算采用笛卡尔直角坐标系，天线结构所在坐标系及风向角α如图2所示。

风向角α不同，所受载荷大小不同。天线承受的风压与风速有关，其大小按公式(6)计算[9]。根据其结构型式及风向角α不同，受到的风载作用力可以分为轴向力和横向力。按照《面天线行标》规定，轴向力、横向力计算公式如式(7)。

(7)

式中：FA分别为轴向作用力，N；FS为横向作用力，N；A为天线正面面积，A=1.267m2；V为风速，单位为m/s；CFA，CFS为轴向风力系数和侧向风力系数扭力矩系数。要求在V=25m/s风速下正常工作，V=55m/s风速下不破坏，则不同工况下对应的计算值如表2所示。

表2　5个工况风压系数与载荷表

根据上表中的值，分别对工作状态的天线面进行加载。在ANSYS结构分析中，一般单元的面载荷施加在面的法线方向。由于φ1.3 m抛物面天线的围子(圆柱面)和反射面(旋转抛物曲面)在实际情况中所受的风荷并非均布载荷，网格划分后侧罩和反射面上所承受的载荷施加在单元的法线方向[10-12]，如图3所示。这种方法可以考虑到天线结构体型变化造成的各处受力不均等的情况，使得计算结果比较准确。天线各部件加载完成后进行求解。

3天线结构各工况的应力应变分析

3.1　天线结构各工况的应力分析

表3　天线整体结构在各工况下的max最大值

3.2　天线结构各工况的应变分析

天线电性能的工作精度主要取决于天线反射面表面形状的精度。因此变形反射面的均方根误差是判断天线结构设计是否满足电性能要求的主要依据，计算公式为[13]

(8)

式中：UY为反射面上各点的轴向变形值，PUY为UY的均值，N为节点数。该天线结构的接收频段为f1=3～9 GHz，f2=10～16 GHz，f3=17～24 GHz，f4=25～40 GHz。由公式频率与波长的换算公式知最短波长λ

天线在25 m/s风速下要正常工作，根据天线效率的要求，反射面的表面轴向均方根误差一般不得超过最短接收波长的1/60～1/30[14]，所以该波段天线表面均方根误差不得超过0.125～0.25 mm。在25 m/s风速下，各工况最大轴向位移均方根误差如表4所示。图6为反射面最大轴向变形云图，此时风向角α=35°。

表4　不同工况下的轴向位移均方根误差

由图6可以看出，在以轴向力为主的风载荷作用下，天线反射面的变形量由内向外比较均匀的递增，最大变形均方根误差为0.018 mm<(0.125～0.25)mm，所以其结构设计能够满足正常工作的电性能要求。

4抛物面天线的振动试验与结果分析

由于条件限制，只能通过随机振动试验，来考核φ1.3 m微波天线在经历了规定条件的振动激励后，受力和变形最大位置处的结构的完好性。

按照表5设置随机振动试验振动参数，试验时间90min；试验控制曲线及响应曲线如图8(a)、(b)所示。

表5　随机振动试验参数

从上图8(b)可以看出，响应曲线在10～40Hz 区域放大，其中在30～40 Hz 区域放大超过10dB，在38 Hz时声压级的值最大，42～60Hz 有显著减震功能。根据IEC 6008-2-64振动烈度评定标准进行判定，φ1.3 m天线在经历了随机振动(频率范围5~100 Hz、试验时间累积90 min)激励后，试验系统振动烈度合格，经检查天线结构各部件完好。

5结论

本文采用有限元法对工作状态下的抛物面天线的强度和刚度进行了分析和计算，并通过随机振动试验进行验证，结果表明：

1) 该天线结构在25 m/s及55 m/s(生存风速)下能满足不同工况的强度需求。在25 m/s风速下，天线反射面变形均方根误差也满足允许值，表明该天线结构符合电性能要求。

2) 通过对φ1.3 m抛物面天线的试验验证，观察受力分析最大部位是否发生变形和破环，通过两种方法对比验证了天线设计的可靠性。该校核计算及试验验证方法可为同类型天线整体结构设计提供参考。

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(责任编辑：李丽)

Analysis of Wind Load Acting on Microwave Communication Paraboloid Antenna in Working State

ZHANG Jin1,CHEN Xiang-yang1,LIU Li-hong1,JIANG Yan2

(1. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China；2. Xi'an Putian Antenna Co., Ltd, Xi'an Shaanxi 710048, China)

Abstract:In order to avoid wind force acting on antenna surface and affecting its normal use, on the basis of the practical technical parameters, the finite element analysis software ANSYS was used to verify the strength and rigidity of microwave communication parabolic antenna, which possibly is destroyed or in instability in active status under the wind load condition. Stress and strain of antenna structure parts under different working conditions were obtained. The points of the largest stress and strain occurrence of the structure were verified by random vibration test, to observe deformation and destruction whether or not occur to the structure. By comparison with two methods, the reliability of the antenna was verified, which provides theoretical support for the reliable application of the antenna under different wind load conditions，and a reference to structure design and production of the kind of antenna.

Key words:parabolic reflector antenna; wind load; finite element method; stress and strain

作者简介：张 瑾(1981-)，女，河南周口人，讲师，硕士，研究方向：结构建模及计算机仿真。

收稿日期：2014-11-24

中图分类号：TH123.4

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0052-05