某型机载平面阵列天线结构设计

高宏涛

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

某型机载卫通天线采用等效口径为0.2米的平板Ku频段天线作为天线面，要求体积小、重量轻；同时满足机载振动及飞机大角度机动要求。因此在结构设计时需要综合考虑以上各种需求，合理选择材料，充分优化设计，保证结构设计的合理性及工艺安装的可行性。

1 结构设计及模型

根据天线需求设计，该天线包含三个传动轴，分别为方位、俯仰、极化。同时由于使用环境是机载平台，该天线主体材料优先选用航空铝7075-T6，传动齿轮采用不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb；满足了强度及天线结构轻量化的需求。同时在设计时将天线伺服控制、伺服驱动模块全部密闭在方位旋转底座盒体内，并通过组合线缆相连，保证了产品的电磁兼容性能；优化了结构件装配的可靠性，美化线缆连接的复杂性，增加了产品的可靠性。三维模型如图1所示。

图1 天线整体结构

工作时，极化电机驱动极化电机齿轮带动极化传动大齿轮运转，从而驱使天线和功放组件一起旋转，调节整个信号网络，极化传动比为i1=1:17。俯仰电机带动小齿轮从而驱动俯仰大齿轮转动，从而带动整个俯仰组件转动，俯仰传动比为i2=1:17.5。方位电机驱动小齿轮拨动大齿轮，受反作用力的驱动，带动方位旋转支架围绕中心轴转动，从而带动整个天线方位组件运转，方位传动比为i3=1:10。

2 仿真分析

2.1 工况分析

为了验证该天线能否满足机载振动要求，采用Ansys Mechanical Enterprise 对该模型进行力学仿真。考虑到天线实际安装方式，在做力学仿真时仅对天线方位传动法兰盘上的8个M5螺纹安装孔进行固定约束，对天线的其余部件不做任何约束（见图1）。

2.2 ANSYS网格划分

在对该天线进行有限元分析和振动仿真之前，考虑到计算经济性，如果采用天线的实际三维模型进行振动仿真分析，不仅增加了仿真时间，还对电脑的硬件配置要求提高，很不划算。这就需要对实际天线三维模型进行适当的简化。模型简化原则是不考虑所有对振动影响较小的结构部分，如尺寸较小的孔、凸台、倒角等。简化后的模型和网格图如图2、图3所示。

图2 天线结构

图3 天线结构网格划分

查材料手册可得到天线基础结构件采用铝合金7075，弹性模量71.7 GPa，泊松比0.3，密度2.81 g/cm3，屈服强度505 MPa；传动齿轮及轴承结构件采用不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb，弹性模量180 GPa，泊松比0.3，密度7.85 g/cm3，屈服强度为1180 MPa。

2.3 模态分析

在ANSYS模态分析中，用BlockLanczos模态提取法得到天线模型的前30阶振型，根据以往经验，在结构的动态分析中，低阶振型对响应影响比较大，高阶可以忽略不计[1]。因此本文在进行模态分析时，只计算出天线模型前几阶固有频率和振型，而不必计算出天线模型所有的固有频率和振型。根据以上分析，本文给出了天线模型的前6阶振型，如图4所示；并将所求得的天线模型的固有频率列于表1。

表1 天线整机模型前6阶固有频率(单位：Hz)

根据产品的实际试验要求，对天线整机进行模态试验，试验测得天线模型实际固有频率与模态仿真分析结果吻合较好，前六阶固有频率的误差控制在±5%以内，验证了有限元模态仿真分析的准确性。

由图4可知：整机模型一阶模态振型最大位置位于天线顶端（见图4-1）；整机模型二阶模态振型最大位置位于天线顶端偏右位置（见图4-2）；整机模型三阶模态振型最大位置位于天线控制盒盖板（见图4-3）；整机模型四阶模态振型最大位置位于天线控制盒盖板偏左位置（见图4-4）；整机模型五阶模态振型最大位置位于天线顶端偏右位置（见图4-5）；整机模型六阶模态振型最大位置位于天线控制盒盖板中间位置（见图4-6）。

图4 天线模型前6阶模态分析结果

从上述模态振型图可知，天线控制盒盖板和天线顶端偏右位置为整个结构框架的薄弱环节，因此在结构设计中应重点注意这两个位置。

2.4 随机振动分析

随机振动分析采用ANSYS中谱分析的PSD分析功能，随机振动是以概率为基础，分析的输入输出都具有随机概率特性。它的原理首先是计算模型的每阶模态响应统计，再对它们进行综合，并假设随机振动过程为平稳随机过程[5]。

在对该产品模型进行随机振动仿真时，根据本产品的实际随机振动试验指标，输入载荷为一个宽带功率谱密度和4个窄带功率谱密度的叠加，如图5、图6所示。

利用Ansys软件对天线模型3个方向X-Y-Z分别进行随机振动分析，图7为天线模型在这3个方向上进行随机振动仿真得出的应力云图，表2为该天线整机应力响应分析结果。

天线在X方向应力最大值位于天线俯仰传动中的俯仰齿轮处，为302.4 MPa，小于齿轮材料0Cr17Ni4Cu4Nb的屈服强度1 180 MPa。剩余强度系数为3.9，满足强度要求。

根据表2可以得出天线在X方向时应力响应最大，应力最大值位于天线俯仰传动中的俯仰齿轮处，为302.4 MPa，小于齿轮材料0Cr17Ni4Cu4Nb的屈服强度1 180 MPa。根据计算，剩余强度系数为σ0.2/3σRMS，即1 180/302.4=3.9。在所用材料的许用应力的安全范围以内，满足振动功能强度安全要求。

图5 宽带功率谱密度

图6 窄带功率谱密度

图7 天线整机应力云图

表2 天线整机应力响应分析结果及说明表

3 结论

本文对某机载平板天线进行结构整体设计，并利用了有限元分析软件对天线简化后的模型进行了模态分析和随机振动响应分析，得到了该天线结构前6阶固有频率、振型及随机振动响应结果，并对仿真结果进行了分析，得出如下结论：

（1）通过振型图可以得出该天线模型的动态特性，找出天线整机结构在设计中的薄弱环节，为进一步优化天线整机结构提供了理论依据。

（2）通过对随机振动分析结果可知该天线应力响应最大值所处的位置。通过与所用材料的许用应力值进行比较可以得知材料处在许用安全范围以内，天线整机结构设计满足材料安全性要求。

综上所述，通过对天线整机结构仿真结果的比对与分析，说明天线结构设计可行且有效。