某型機載平面陣列天線結構設計

高宏濤

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

某型機載衛通天線采用等效口徑為0.2米的平板Ku頻段天線作為天線面，要求體積小、重量輕；同時滿足機載振動及飛機大角度機動要求。因此在結構設計時需要綜合考慮以上各種需求，合理選擇材料，充分優化設計，保證結構設計的合理性及工藝安裝的可行性。

1 結構設計及模型

根據天線需求設計，該天線包含三個傳動軸，分別為方位、俯仰、極化。同時由于使用環境是機載平臺，該天線主體材料優先選用航空鋁7075-T6，傳動齒輪采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb；滿足了強度及天線結構輕量化的需求。同時在設計時將天線伺服控制、伺服驅動模塊全部密閉在方位旋轉底座盒體內，并通過組合線纜相連，保證了產品的電磁兼容性能；優化了結構件裝配的可靠性，美化線纜連接的復雜性，增加了產品的可靠性。三維模型如圖1所示。

圖1 天線整體結構

工作時，極化電機驅動極化電機齒輪帶動極化傳動大齒輪運轉，從而驅使天線和功放組件一起旋轉，調節整個信號網絡，極化傳動比為i1=1:17。俯仰電機帶動小齒輪從而驅動俯仰大齒輪轉動，從而帶動整個俯仰組件轉動，俯仰傳動比為i2=1:17.5。方位電機驅動小齒輪撥動大齒輪，受反作用力的驅動，帶動方位旋轉支架圍繞中心軸轉動，從而帶動整個天線方位組件運轉，方位傳動比為i3=1:10。

2 仿真分析

2.1 工況分析

為了驗證該天線能否滿足機載振動要求，采用Ansys Mechanical Enterprise 對該模型進行力學仿真。考慮到天線實際安裝方式，在做力學仿真時僅對天線方位傳動法蘭盤上的8個M5螺紋安裝孔進行固定約束，對天線的其余部件不做任何約束（見圖1）。

2.2 ANSYS網格劃分

在對該天線進行有限元分析和振動仿真之前，考慮到計算經濟性，如果采用天線的實際三維模型進行振動仿真分析，不僅增加了仿真時間，還對電腦的硬件配置要求提高，很不劃算。這就需要對實際天線三維模型進行適當的簡化。模型簡化原則是不考慮所有對振動影響較小的結構部分，如尺寸較小的孔、凸臺、倒角等。簡化后的模型和網格圖如圖2、圖3所示。

圖2 天線結構

圖3 天線結構網格劃分

查材料手冊可得到天線基礎結構件采用鋁合金7075，彈性模量71.7 GPa，泊松比0.3，密度2.81 g/cm3，屈服強度505 MPa；傳動齒輪及軸承結構件采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，彈性模量180 GPa，泊松比0.3，密度7.85 g/cm3，屈服強度為1180 MPa。

2.3 模態分析

在ANSYS模態分析中，用BlockLanczos模態提取法得到天線模型的前30階振型，根據以往經驗，在結構的動態分析中，低階振型對響應影響比較大，高階可以忽略不計[1]。因此本文在進行模態分析時，只計算出天線模型前幾階固有頻率和振型，而不必計算出天線模型所有的固有頻率和振型。根據以上分析，本文給出了天線模型的前6階振型，如圖4所示；并將所求得的天線模型的固有頻率列于表1。

表1 天線整機模型前6階固有頻率(單位：Hz)

根據產品的實際試驗要求，對天線整機進行模態試驗，試驗測得天線模型實際固有頻率與模態仿真分析結果吻合較好，前六階固有頻率的誤差控制在±5%以內，驗證了有限元模態仿真分析的準確性。

由圖4可知：整機模型一階模態振型最大位置位于天線頂端（見圖4-1）；整機模型二階模態振型最大位置位于天線頂端偏右位置（見圖4-2）；整機模型三階模態振型最大位置位于天線控制盒蓋板（見圖4-3）；整機模型四階模態振型最大位置位于天線控制盒蓋板偏左位置（見圖4-4）；整機模型五階模態振型最大位置位于天線頂端偏右位置（見圖4-5）；整機模型六階模態振型最大位置位于天線控制盒蓋板中間位置（見圖4-6）。

圖4 天線模型前6階模態分析結果

從上述模態振型圖可知，天線控制盒蓋板和天線頂端偏右位置為整個結構框架的薄弱環節，因此在結構設計中應重點注意這兩個位置。

2.4 隨機振動分析

隨機振動分析采用ANSYS中譜分析的PSD分析功能，隨機振動是以概率為基礎，分析的輸入輸出都具有隨機概率特性。它的原理首先是計算模型的每階模態響應統計，再對它們進行綜合，并假設隨機振動過程為平穩隨機過程[5]。

在對該產品模型進行隨機振動仿真時，根據本產品的實際隨機振動試驗指標，輸入載荷為一個寬帶功率譜密度和4個窄帶功率譜密度的疊加，如圖5、圖6所示。

利用Ansys軟件對天線模型3個方向X-Y-Z分別進行隨機振動分析，圖7為天線模型在這3個方向上進行隨機振動仿真得出的應力云圖，表2為該天線整機應力響應分析結果。

天線在X方向應力最大值位于天線俯仰傳動中的俯仰齒輪處，為302.4 MPa，小于齒輪材料0Cr17Ni4Cu4Nb的屈服強度1 180 MPa。剩余強度系數為3.9，滿足強度要求。

根據表2可以得出天線在X方向時應力響應最大，應力最大值位于天線俯仰傳動中的俯仰齒輪處，為302.4 MPa，小于齒輪材料0Cr17Ni4Cu4Nb的屈服強度1 180 MPa。根據計算，剩余強度系數為σ0.2/3σRMS，即1 180/302.4=3.9。在所用材料的許用應力的安全范圍以內，滿足振動功能強度安全要求。

圖5 寬帶功率譜密度

圖6 窄帶功率譜密度

圖7 天線整機應力云圖

表2 天線整機應力響應分析結果及說明表

3 結論

本文對某機載平板天線進行結構整體設計，并利用了有限元分析軟件對天線簡化后的模型進行了模態分析和隨機振動響應分析，得到了該天線結構前6階固有頻率、振型及隨機振動響應結果，并對仿真結果進行了分析，得出如下結論：

（1）通過振型圖可以得出該天線模型的動態特性，找出天線整機結構在設計中的薄弱環節，為進一步優化天線整機結構提供了理論依據。

（2）通過對隨機振動分析結果可知該天線應力響應最大值所處的位置。通過與所用材料的許用應力值進行比較可以得知材料處在許用安全范圍以內，天線整機結構設計滿足材料安全性要求。

綜上所述，通過對天線整機結構仿真結果的比對與分析，說明天線結構設計可行且有效。