基于随机振动仿真分析的阵列天线结构改进

杨 虎，陈俊桃，苏关云，廖 锐

（成都西科微波通讯有限公司，四川 成都 610000）

引言

随机振动试验作为考核机载电子装备环境适应性的一个主要项目，是评估产品抗振性能、耐振强度以及可靠性的最基本试验手段，在电子装备筛选、验收和交付试验中得到广泛应用[1]。

某型阵列天线属于机载设备，应满足“标准振动环境”条件要求，需按图1所示的随机振动功率谱密度（简称“PSD”）曲线[2-3]做随机振动试验。受试设备不加电，振动持续时间为每轴向（X、Y、Z）1 h。

图1 PSD曲线

该天线设备主要由天线反射框、4个天线单元和功分器组成，其三维模型见图2。

图2 阵列天线三维模型

首批次初样设备在完成前两个方向（X、Y）振动后，设备完好，在完成最后一个方向（Z）后，发现第二个天线单元一个辐射板被振裂，见图3，振裂位置位于辐射板根部圆角处，圆角半径为2 mm。

图3 天线单元辐射板振裂示意图

为了提高效率、节约试验费用，快速找到断裂原因，改进天线结构。文章通过有限元软件ANSYS Workbench对天线结构改进前后进行随机振动仿真，并对比分析仿真结果，验证结构改进的合理性。

1 原结构仿真分析

随机振动仿真分析的结果输出是一个标准偏差1σ，该结果服从高斯正态分布，即68.3%的时间下，响应值小于标准偏差1σ；2σ值表示95.4%的时间下响应值小于2σ；3σ值表示99.7%的时间下响应值小于3σ。故3σ结果可以评估等效应力的上限[4]，可用来校核结构的疲劳极限应力。

1.1 网格模型

天线单元辐射板主要采用六面体网格，以便减少单元数量，其余结构较复杂，主要采用四面体网格。由于辐射板为重点关注对象，单独对辐射板进行尺寸控制（2 mm），其余结构通过整体网格控制进行划分。整体模型网格单元数为246 134，节点数为632 464。网格模型见下页图4。

图4 网格模型

1.2 仿真结果

分别对天线三个方向进行随机振动分析，得到三个方向的3σ应力云图，见下页图5。

图5 原结构三个方向3σ应力云图

从3σ应力云图看出，三个方向应力最大值均出现在天线单元辐射板根部圆角处，只是振动方向不同，分布在不同的天线单元辐射板上。三个振动方向最大应力值见表1。

表1 三个方向最大应力值

X、Y、Z三个方向振动最大应力分别为63.34 MPa、47.63 MPa、102.74 MPa，故最大应力发生在Z方向（垂直方向）振动时，位置出现在第2个天线单元辐射板上根部圆角处，最大应力σmax=102.74 MPa，和实际振动试验断裂位置吻合。此处应力较大是因为圆角太小（只有2 mm），产生较大应力集中。

辐射板材料为铝合金6061-T6，疲劳极限为σ-1=87 MPa。

校核：σmax=102.74 MPa>σ-1，已不满足强度设计要求。

综上所述，得出天线辐射板断裂原因：辐射板根部圆角（半径2 mm）太小，产生较大应力集中，此处应力已超过疲劳极限。

2 结构改进

根据仿真分析结论，天线结构改进如下：增大辐射板根部圆角尺寸，圆角半径由2 mm增大到10 mm，见图6。

图6 天线单元结构改进对比

3 结构改进后的仿真分析

分别对改进后的天线三个方向进行随机振动分析，得到三个方向的3σ应力云图，见图7。

图7 改进后结构三个方向3σ应力云图

结构改进前后天线单元上的最大应力对比见下页表2。

表2 三个方向最大应力值

由表2可知：天线单元X、Y、Z三个方向振动最大应力都有所下降，分别由63.34 MPa、47.63 MPa、102.74 MPa下 降 到35.32 MPa、34.17 MPa、77.85 MPa，分别降低44.2%、28.3%、24.2%，结构改进效果明显。

校核：天线改进后的最大应力σmax=77.85 MPa<σ-1=87 MPa，满足强度设计要求。

4 改进后结构的验证

按改进后的天线结构图纸生产加工完成后，重新做随机振动试验，三个方向振动完成后，天线结构完好无损，顺利通过振动试验，有效验证了仿真分析与结构改进的合理性。

5 结论

1）仿真分析结果表明天线结构改进后，X、Y、Z三个方向振动最大应力明显下降，分别降低44.2%、28.3%、24.2%，且最大应力小于疲劳极限应力，满足设计要求。

2）改进后的天线结构顺利通过振动试验，有效验证了结构改进的合理性。

3）天线辐射板类似于悬臂结构，和天线支柱连接处附近应力较大，应增大此处圆角过渡，减小应力集中。