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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(fù)雜,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,現(xiàn)通過三維建模軟件對(duì)原有天線反射體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),運(yùn)用有限元軟件,對(duì)新反射體進(jìn)行了力學(xué)分析與計(jì)算,優(yōu)化后的反射體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足使用需求。新反射體不僅簡(jiǎn)化了整體結(jié)構(gòu)和加工工藝,同時(shí)安裝方便,省時(shí)省力,經(jīng)濟(jì)性能也得到了較大提升。優(yōu)化后的新反射體已成功應(yīng)用于多個(gè)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(shè)計(jì)
0引言
自1887年德國(guó)物理學(xué)家海因里?!ず掌澃l(fā)明拋物面天線以來,拋物面天線憑借其高方向性等特點(diǎn)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展,已廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)控、雷達(dá)、遙感、氣象等諸多領(lǐng)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(chǔ)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(duì)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)中的天線反射體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1天線反射體設(shè)計(jì)
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(gè)反射體的中心節(jié)點(diǎn),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(gè)圓筒結(jié)構(gòu),圓筒內(nèi)部焊加強(qiáng)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(shí)定位不便,整個(gè)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(jìn)行了適當(dāng)加大,內(nèi)部焊接加強(qiáng)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(jiǎn)單,焊接方便,質(zhì)量減少102kg,如
1.2輻射梁
輻射梁是整個(gè)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(jìn)行均勻切割,將切割好的類似T型鋼和角鋼通過節(jié)點(diǎn)板進(jìn)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(chǎng)搬運(yùn)和安裝;同時(shí),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(zhǎng)度主面調(diào)整螺桿統(tǒng)一成一種長(zhǎng)度,減少了主面調(diào)整螺桿的長(zhǎng)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(shí)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(shè)計(jì),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(gè)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(dòng),大大降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝人員的工作強(qiáng)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(gè)天線系統(tǒng)是否能夠正常工作,對(duì)整個(gè)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(fēng)載荷對(duì)其影響最大,因此對(duì)反射體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)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(yùn)用SolidWorks三維建模軟件對(duì)天線反射體進(jìn)行模型構(gòu)建,然后將幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,進(jìn)行有限元分析。根據(jù)反射體結(jié)構(gòu)的實(shí)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(diǎn)處分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[5],如圖10所示。
2.3靜力學(xué)分析
天線反射體靜力學(xué)分析時(shí),將饋源及副反射面作為等效載荷加在各自的相應(yīng)位置。面板作為質(zhì)量單元,加在背架的支撐點(diǎn)上。中心體、輻射梁根據(jù)各自的力學(xué)特征,離散為相應(yīng)的板單元、梁?jiǎn)卧猍5-6],選取風(fēng)速30m/s,按照風(fēng)正吹、風(fēng)側(cè)吹、風(fēng)背吹三種工況進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過有限元分析,得到副面支撐結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果,提取總變形和等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,如圖11、圖12所示。從計(jì)算結(jié)果可知,天線在30m/s風(fēng)速下天線主反射面最大變形為1.2mm,經(jīng)計(jì)算,主面變形均方根σ滿足天線工作需求;天線最大應(yīng)力發(fā)生在中心體下連接板上,應(yīng)力最大值為44MPa,而鋼材許用應(yīng)力為250MPa,天線結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于鋼材許用應(yīng)力值,天線結(jié)構(gòu)是安全的[7-8]。如圖13所示,在56m/s風(fēng)速條件下,天線處于朝天鎖定位置,此時(shí)天線所受風(fēng)向角為90°,僅承受側(cè)向風(fēng)力和風(fēng)力矩,天線最大應(yīng)力發(fā)生在中心體和輻射梁連接處,應(yīng)力最大值為63MPa,天線結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于鋼材許用應(yīng)力,天線反射體結(jié)構(gòu)是安全的,不會(huì)發(fā)生破壞,也不會(huì)發(fā)生永久性變形,天線反射體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。
3結(jié)論
本文通過對(duì)原有天線反射體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究,將原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了新的結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行了分析計(jì)算。(1)通過三維建模軟件,對(duì)天線反射體結(jié)構(gòu)中的中心體、輻射梁、環(huán)梁以及整個(gè)反射體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與建模,并對(duì)各零部件的所用材料和型號(hào)進(jìn)行定義,計(jì)算出了各零部件的重量,為后續(xù)分析計(jì)算提供了支撐。(2)運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)優(yōu)化后的反射體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分,并對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)分析與計(jì)算。經(jīng)過分析與計(jì)算,優(yōu)化后的新反射體各變形參數(shù)均滿足材料的應(yīng)力指標(biāo)和使用需求。(3)新反射體結(jié)構(gòu)對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很大的優(yōu)化,在加工過程中減少材料種類的同時(shí),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(chǎng)安裝的便捷性,降低了現(xiàn)場(chǎng)的工作強(qiáng)度和工作量。新反射體已成功應(yīng)用于多個(gè)工程項(xiàng)目,均工作良好,未出現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)問題。在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用專業(yè)軟件設(shè)計(jì)出多種方案,通過對(duì)比和相關(guān)試驗(yàn),最終驗(yàn)證了本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性和合理性。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線反射體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工和裝配工作強(qiáng)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(shè)計(jì)提供了一定的參考。
作者:蘇偉 單位:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所