車載天線安裝平板的結構強度分析及拓撲優化

蔣維旭，黨濤，蒲曉龍，伍舉，葛源坤

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車載天線安裝平板的結構強度分析及拓撲優化

蔣維旭，黨濤，蒲曉龍，伍舉，葛源坤

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

利用流體仿真軟件計算天線表面所受風載荷，再將風載荷耦合在天線結構模型上，完成天線的結構強度分析。仿真結果表明天線安裝平板強度富余量非常大，可合理優化安裝平板結構，以改善安裝平板的強度重量比。仿真計算安裝平板優化前后的應力、變形、應變及重量，對比分析表明優化后的結構，重量減少68.3%，強度幾乎沒有變化，滿足安裝平板的使用要求。

天線安裝平板；流固耦合；拓撲優化

天線在通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗等領域有廣泛的應用，凡是利用電磁波來傳遞信息的都離不開天線。天線的形狀多種多樣，常用的是各種線天線和面天線以及它們的組合和陣列[1]。風載荷是天線陣面的主要載荷，考核天線在風載作用下的變形對于天線結構設計尤為重要[2-3]。風載荷可以參照《建筑結構荷載規范》的理論公式進行粗略推算，也可以通過仿真計算軟件進行仿真計算[4-5]。對天線主要承力結構需要進行合理設計，以達到重量輕、強度高的最優結構形式。

結構拓撲優化是在工程結構設計的初始階段為設計者提供一個優化概念模型，使結構在布局形式上采用最優方案，已經在汽車、精密加工設備等領域廣泛應用[6-7]。主要思想是把尋求結構的最優拓撲問題轉化為給定區域內尋求材料的最佳分布問題，探討結構構件的相互連結拓撲形式，使結構能在滿足給定的載荷及約束下達到某種指標最優解[8]。常見的拓撲優化方法主要有均勻法、變厚度法和變密度法，其中變密度法是目前較流行的力學建模方式，與其它方法相比，它更能反映拓撲優化的本質[9-10]。

1 天線結構

天線單元需要按照一定的單元間距進行陣列排布。本文所研究的車載陣列天線的天線單元都安裝在安裝平板上，雷達后端數據收發、信號處理等設備也安裝在安裝平板上。所以安裝平板是天線的主要承力結構件，不僅關系著天線的各項指標能否實現、還關系著天線在惡劣環境中能否正常工作。天線是安裝在改裝越野車上，會在高速移動下迎風工作，天線工作時整個陣列平面仰15°，即與水平面呈75°夾角。重量太重，越野車的機動性變差，強度太弱，天線無法正常工作，影響天線功能，所以需要綜合考慮天線安裝平板的重量和強度，以保證天線正常工作。車載陣列天線結構如圖1所示。

圖1 車載陣列天線結構圖

2 流體仿真分析

本文選用Fluent對整個陣列天線工作時的風載荷計算，以便為結構分析和優化設計提供數據支持。依據風洞試驗原型，通過Fluent建立運輸車載高速行駛的數值仿真模型，如圖2所示。整個模型左側端面為氣流入口，氣流速度為運輸車行駛速度。模型右側端面為氣流出口，設定壓強為0 Pa。整個模型的四個外表面設定為墻面，天線外表面設定為墻面。求解后查看天線外表面的壓強分布，如圖3所示。

圖2 數值仿真模型

圖3 天線外表面壓力分布圖

3 靜力學分析

在天線靜強度分析中，為縮減計算規模、提高計算效率，將運輸車的模型刪除，只計算天線的強度和變形。天線在高速移動環境下工作，主要受風載荷和自重。將流體分析中天線外表面所受的壓力通過流固耦合加載到天線的外表面上即流體和結構的耦合面，再對整個模型添加慣性載荷，在天線安裝平板的8個安裝孔位置施加固定約束。完成天線靜強度分析的載荷和約束設置后直接計算求解。天線的最大應力是21.5 MPa，發生在安裝平板的安裝孔周邊，如圖4所示。安裝平板現采用鋁合金材料進行加工，從分析結果可知天線安裝平板的最大應力遠小于鋁合金的屈服強度150 MPa，其強度余量非常大，可合理優化安裝平板的結構形式，以達到輕量化設計的目的。

4 結構拓撲優化設計

本文采用ANSYS WorkBench的Topology Optimization進行拓撲優化，流程如圖5所示。

圖4 天線整體應力分布圖

圖5 拓撲優化流程圖

為縮減計算規模、提高計算效率，將天線安裝板模型從靜強度分析中單獨提取出來進行優化設計，將天線單元、雷達后端數據收發、信號處理等設備的重量轉換成外載荷（FORCE）施加在安裝平板上。以安裝板的最大應力≤70 MPa、最大變形≤0.5 mm為約束函數，以最小柔順度、重量優化70%為目標函數，進行拓撲優化。經37次迭代優化后結果收斂，優化后的結構形式如圖6所示。拓撲優化后的結構形式制造加工工藝性較差，不能直接工程化應用，需將優化后的結構形式轉換為符合制造加工的結構形式，轉換后如圖7所示。

對優化后的結構形式進行靜力學分析和模態分析，得到優化前后靜力學分析的最大應力、最大變形和前六階模態頻率，其結果如表1、圖8～圖10所示。

5 結論

車載陣列天線安裝平板是確保天線能夠正常工作、實現天線功能的關鍵零件之一，本文對車載陣列天線的安裝平板進行結構拓撲設計，對比優化前后的結構形式的最大應力、最大變形、最大應變和模態頻率。優化后的重量比優化前少113.3 kg，減少了68.3%，優化前后的最大應力和最大應變幾乎一致，均位于安裝平板的固定安裝孔周邊。拓撲優化前后的模態頻率幾乎一致，所以安裝平板的結構強度和剛度幾乎沒有改變。優化前后的最大變形都位于平板長度方向的兩端，優化后兩端的變形量增大，但滿足設計需求，不影響天線正常使用。對比分析結果表明：結構拓撲優化后的結構形式提高了安裝平板的強度重量比，同時結構強度和剛度沒有下降，滿足天線的使用要求。

表1 優化前后靜力學結果及前六階模態頻率對比

圖8安裝平板優化前后應力圖

圖10 優化前后應變圖

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[2]段寶巖. 天線結構分析、優化與測量（第二版）[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2017.

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The Structural Strength Analysis and Topology Optimization of Vehicular Antenna Mounting Plate

JIANG Weixu，DANG Tao，PU Xiaolong，WU Ju，GE Yuankun

(Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.,Ltd., Mianyang 621000, China )

The wind load on the antenna surface is calculated by using fluid simulation software, and the wind load is coupled to the antenna structure model to complete the structural strength analysis of the antenna. The simulation results show that the strength allowance of the antenna mounting plate is very large. The plate structure can be rationally optimized to improve the weight intensity ratio. The stress, deformation, strain and weight of the mounting plate and optimized mounting plate are calculated respectively. The comparative analysis shows that the weight of optimized structure is reduced by 68.3%, and the strength is almost unchanged. The optimized structure meets the requirements of the mounting plate.

antenna mounting plate；fluid structure interaction；topological optimization

U463.67+3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.016

1006－0316 (2018) 05－0060－04

2017－09－28

蔣維旭（1987－），男，四川綿陽人，碩士，工程師，主要從事雷達天線的結構設計、仿真、優化等工作。