某车载天线工作状态下的结构刚强度分析*

陈应春，宋晓斐

(1. 南京恩瑞特实业有限公司， 江苏 南京 211100； 2. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某车载天线工作状态下的结构刚强度分析*

陈应春1，宋晓斐2

(1. 南京恩瑞特实业有限公司， 江苏 南京 211100； 2. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

车载雷达具有良好的机动能力，能够快速完成转场运输，在任务现场无需借助外部设备即可自主完成系统安装架设与撤收工作，具有很好的应用前景。天线是车载雷达的重要组成部分，其反射面的精度对雷达系统的整体性能有着重要的影响，而反射面的精度是依靠天线自身的结构刚强度保证的，因此对天线刚度和强度的分析和研究非常必要。文中以车载偏馈抛物面天线为例，从实际的技术指标出发，运用有限元分析软件，通过同时加载风力、自身重力和转动惯性力等多种载荷，分析并验证了天线结构设计的可靠性，为以后的设计和优化提供了重要依据。

车载雷达；偏馈抛物面天线；风载荷；有限元

引 言

车载雷达机动性能良好，能够快速完成转场运输，在任务现场无需借助外部设备即可自主完成系统安装架设与撤收工作，具有很好的应用前景。作为雷达的重要组成部分，天线在雷达工作过程中能够将电磁波发射出去并接收进来，是雷达系统与外界联系的窗口。作为有电性能要求的结构件，它与一般结构件有相同的刚强度要求，即在各种载荷作用下不发生破坏。另外，它是为电性能服务的，在各种载荷作用下的变形必须满足电性能要求[1]。

文中的车载雷达实际工作情况比较复杂，不仅受到风力的作用，还受到其它载荷的作用。在恶劣的工作条件下，各种载荷在天线面上会产生相当大的作用力，所以如果天线刚强度不够，就会产生大的变形甚至破坏，影响雷达的正常使用。因此，有必要对天线在各种载荷作用下的受力变形和应力情况进行研究，以检验其结构的可靠性。

1 天线系统的组成

某车载天线为散射通讯天线， 它利用空中介质对电磁波的散射作用，在两地进行通讯。该天线系统包括天线、馈源和天线座3大部分[2]。天线由反射面、背架及调节螺杆等组成，馈源由喇叭、波导、环形器、滤波器和波导同轴转换等组成，天线座由方位机构和俯仰机构等组成。天线和馈源通过转动支耳安装在天线座上，天线座安装于车载平台上(见图1)，实现天线垂直俯仰和方位旋转。本文主要针对天线部分进行力学仿真分析。

图1 天线系统组成

2 天线结构介绍

天线形式为C频段偏馈抛物面天线，反射面口径为1.8 m × 2.1 m。天线由反射面、背架、支耳和调节螺杆等组成(见图2)。天线反射面采用栅条形式，使用Φ6 mm × 1 mm的细铝管在模具上弯曲成型，两端焊接于背架上，栅条之间取适当间距，既可以确保天线电性能不受影响，也可保证足够的透风率；背架采用铝型材焊接成型，保证足够的刚强度，通过调节丝杆和天线反射面连接来调整反射面的精度。

图2 天线三维结构图

天线在方位上进行360°旋转，要求其在安装、制造、21 m/s风速、1 r/min转速及自重等因素综合作用下的精度(RMS)必须小于或等于0.6 mm(工作状态)，在35 m/s风速及自身重力作用下应满足强度要求，不被破坏。

3 天线工作状态下所受载荷分析

天线所受的载荷大致有风力、裹冰及积雪载荷、天线运动时的惯性载荷、自重、温度载荷、馈源支架载荷以及其它载荷[3]。

对于车载雷达而言，天线在户外工作，风载荷是必须考虑的一种主要载荷[4]；由于天线需要转动，因此不考虑冰雪载荷，但需要考虑转动时的惯性载荷；自重总是存在而必须予以考虑的一种载荷；由于天线口径尺寸不大，所以不考虑温度载荷；馈源支架安装在天线座上，因而不考虑馈源支架载荷。从上述分析可知，天线工作时所受主要载荷为风载荷、惯性载荷和自重。

风载荷是天线受到的主要载荷，风压计算公式为：

(1)

式中：q为风压，Pa；V为风速，m/s；g为重力加速度，9.8 m/s2；KR为风阻系数，主要取决于物体的形状与风向；Kg为阵风因子，当给定风速为平稳风速时，按国军标选为1.42，当给定风速为最大风速时则取为1；Kh为高度因子，按表1选择。

表1 高度因子

天线按1 r/min的速度做方位旋转，所受离心力计算公式如下：

Pk=mkω2r

(2)

式中：mk为集中在K点的质量；ω为角速度；r为K点到转动中心的距离。

天线自重计算公式为：

G=mg

(3)

式中，m为天线质量，kg。

由于该天线刚性较好，不会有较大振动，所以以上风载荷和惯性载荷都是按照静载荷计算的[5]。

4 有限元模型的建立

本文采用HYPERMESH软件建模，采用ANSYS软件计算分析。

4.1 坐标系

文中建模和分析所涉总体坐标系如图3所示，X轴为天线侧面方向，Y轴为天线受风方向，Z轴为天线重力方向。

图3 天线有限元模型

4.2 模型简化

模型中支耳、加强筋板、背架加强弯板和背架之间的相互连接采用刚性连接，利用CERIG单元来模拟其连接作用。对零件的倒角和凸台等特征进行了简化，不考虑其对结构刚度和强度性能的影响。

4.3 网格划分

支耳、加强筋板和背架加强弯板采用壳单元SHELL63单元进行建模，背架和栅条采用BEAM188梁单元来模拟，调节螺杆采用CERIG单元来模拟。划分后的网格模型如图3所示。涉及的材料及其参数见表2。

表2 材料参数

5 计算及分析

5.1 天线结构刚度分析

天线在自身重力、21 m/s风速和1 r/min转速3种载荷作用下的三向综合变形如图4所示。从图4可知，天线反射面的变形量由下向上均匀递增，其上部结构的变形较大，最大变形约为1.729 mm。经过分析计算可以得到三向综合变形的均方根值σ1为0.55 mm。由于天线反射面(栅条)是在模具上成型的，其加工和装配精度靠模具保证，因此均方根σ2<0.2 mm。

图4 天线结构的三向综合变形(单位：mm)

天线反射面精度可用下面公式进行估算：

(4)

式中：σ1为受力变形引起的反射面误差；σ2为加工及装配引起的反射面误差。

综上所述，天线在安装、制造、21m/s风速、1 r/min转速及自重等因素综合作用下的精度(RMS)小于0.6 mm(工作状态)，满足天线结构的刚度要求。

5.2 天线结构强度分析

天线在自身重力和35 m/s风速2种载荷作用下的应力分布如图5所示，最大应力σmax为40 959 kPa，发生在支耳和背架的连接处。

图5 天线结构的应力分布图(单位：kPa)

天线的最大工作应力不能超过材料的许用应力，数学表达式如下：

σmax≤[σ]

(5)

式中：σmax为天线的最大工作应力；[σ]为材料的许用应力。

材料的许用应力用下面公式计算：

(6)

式中：σu为材料的极限应力；n为安全系数。

由于铝材5052是塑性材料，且无明显屈服极限，因此公式又可以表示为：

(7)

式中：σs为屈服极限应力；σ0.2为名义屈服应力。

综上所述，天线在35m/s风速及自身重力作用下满足强度要求。

6 结束语

本文从天线的技术指标出发，采用有限元分析法对车载偏馈抛物面天线在工作状态下的结构刚度和强度进行了理论分析和计算。结果表明：该天线的刚度在21m/s风载作用下的均方根(RMS)小于0.6mm，满足设计指标要求；在35m/s风载作用下，其背架的局部最大应力为40 959kPa，小于5052铝材的许用应力，满足天线结构的强度要求。

[1] 候学兵, 高峰华. 某雷达天线的风载荷分析[J]. 电子机械工程, 2010, 26(3): 40-42.

[2] 成磊, 吴兆华. 车载气象雷达天线工作状态下风载荷应力研究[J]. 现代机械, 2007(4): 16-18.

[3] 叶尚辉, 李在贵. 天线结构设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1988.

[4] 金雷. 关于雷达天线风载荷的几个问题[J]. 电子机械工程, 2003,19(1): 33-35.

[5] 蒋尔进. 一种圆抛物面天线的有限元分析[J]. 雷达与对抗, 2004(4): 61-64.

陈应春(1982-)，男，工程师，主要从事天线结构设计工作。

宋晓斐(1971-),男，高级工程师，主要从事天线结构设计工作。

Structure Analysis of a Vehicle-borne Antenna under Operation

CHEN Ying-chun1，SONG Xiao-fei2

(1.NanjingNRIETIndustrialCo.,Ltd.,Nanjing211100,China；2.NanjinResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The vehicle-borne radar can be rapidly transported from one field to another because of its good mobility. Its mantling and dismantling can be completed without outer equipment. Therefore, it has a good application prospect. The antenna is one of the most important components of the vehicle-borne radar. Its precision, which depends on its strength, will affect the performance of the radar, so it is very necessary to study the structure rigidity and intensity of the antenna. The offset parabolic antenna is given as an example to illustrate this structure analysis with the finite element analysis software and from the real technical parameters. The reliability of the antenna is verified by loading simultaneously the wind force, gravity and the rotational inertia force. The results can be used as reference for design and optimization of the antenna in the future.

vehicle-borne radar; offset parabolic antenna; wind load; finite element

2015-12-31

TN82

A

1008-5300(2016)01-0044-04