基于Workbench的船載“動中通”天線結構的設計

蘇 偉，趙 棟，李 博，劉高露

(中國電子科技集團公司第三十九研究所，陜西西安 710065)

0 引言

1972年，我國首次開始應用衛星通信業務。在隨后的幾十年時間里，中國的衛星通信事業發展迅速，現已躋身國際先列，在國際衛星通信行業內擔當者著非常重要的角色。作為衛星通信過程中必不可少的設備，衛星通信天線的發展也日趨多樣化和高端化，已從最初的陸地衛星通信轉變到現如今的海洋衛星通信。作為海洋衛星通信中必不可少的一部分，船載“動中通”天線可實現海洋任意方位的語音、數據、視頻、圖像傳輸以及上網等功能，現已被廣泛應用于軍艦、海警巡邏、漁船以及海上救援指揮中心等行業內，保障通信業務的同時，也保障了海上作業安全[1-2]。

1 船載“動中通”天線工作原理

船載“動中通”是一種應用于海上連續衛星通信的天線，該設備安裝在移動的船上。本文設計的“動中通”天線用于同步軌衛星通信，工作于Ku頻段，其中接收 10.70～12.75 GHz，發射 13.75～14.5 GHz。可進行語音、視頻、數據、圖像以及Internet等信息的傳輸，可同時適用于軍用和民用中的衛星通信[3]。

圖1 船載“動中通”天線結構示意圖

如圖1所示，該“動中通”天線反射面直徑為900 mm，在傳統方位、俯仰軸的基礎上增加了橫滾軸，可同時進行三軸聯動。其中方位可在0h-360h范圍內連續轉動，俯仰轉動范圍為-10h-90h，橫滾轉動范圍為i 20h，極化角轉動范圍為0h-270h。通過天線驅動單位（ADU）和天線控制單元（ACU）的來控制天線各軸的旋轉，進而來對準衛星。但是由于船在海上航行時，位置和姿態隨時在變，會使天線偏離衛星，因此在天線底座上安裝有慣導，天線伺服控制系統根據慣導傳送的位置坐標，控制天線自動對準衛星。保證天線與衛星通信的連續性與可靠性。

2 船載“動中通”天線支耳的有限元分析

對于整個天線結構部分來說，受力最大的，當然也是最易產生破壞的結構件就是俯仰部分的兩個支耳，故對支耳部分進行有限元受力分析，保證支耳使用的安全性和可靠性。

2.1 材料的選擇

根據使用要求，支耳所用材料為2024-T4鋁合金，在Workbench中Engineering Date Source目錄下選取所需材料，2024-T4鋁合金的彈性模量為7.24E+10，密度2 780 kg/m3，泊松比0.33，屈服強度325 MPa。

2.2 網格劃分

網格劃分的好壞將直接影響到有限元分析的結果，文章首先運用Solidworks三維建模軟件對天線支耳進行模型構建，然后將幾何模型導入Workbench進行有限元分析。根據支耳的實際結構情況，在設置網格的時候采用Patch Independent和Proximity and Curvature的方法來控制網格的質量，并且在螺栓連接的地方采用局部加密的方式保證連接點處分析結果的準確性[4]，網格采用四面體結構。最終得到的網格節點數為246611，單元數為170287，網格質量最大（畸變度）為0.61，平均為0.27，網格質量非常好，如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

2.3 施加載荷與約束

經過力學分析可知，支耳主要是通過俯仰軸部和接觸面處共12個螺栓的拉緊力來帶動整個天線的主面及副面部分在俯仰的方向上運動，因此，如圖所示，將A、B兩處設置為固定約束。

在Solidworks將材料屬性賦予模型的各個零件，最終計算可得主面和副面等前端零部件總重力為87.9 N，因為船載天線的俯仰是隨時都要工作，為了保證設備的可靠性，在設計時，取主面等前端零部件總重力的200%，即175.8 N。經分析可知，當天線俯仰到最低點，也就是俯仰達到-10h的時候，此時對支耳產生的力矩是最大的，合力為-10h方向，則單個支耳受到的總重力為87.9 N，分別對應垂直、水平受到的分力應為86.56 N、15.26 N。載荷施加情況和約束情況如圖3所示。

圖3 施加載荷和約束

2.4 靜力學分析

圖4 等效應力分析結果

圖5 等效應變分析結果

圖6 總變形分析結果

經過有限元分析，得到支耳的靜力學分析結果，提取等效應力、等效應變和總變形計算結果，如圖4、圖5、圖6所示。從分析云圖可知，支耳受到的最大等效應力為0.279 93 MPa，遠遠小于材料的許用應力，因此支耳不會因材料的屈服強度產生破壞。最大的等效應變為3.945 E-6mm/mm，支耳變形非常小。支耳的最大總變形為4.144 1 E-6mm，可以近似認為基本不變形，滿足設計要求。天線支耳設計合理。

2.5 疲勞壽命分析

給模型添加Life(壽命)求解項，其中載荷類型設置為“Full Reversed”。由于天線支耳的疲勞壽命受到應力的影響最大，因此在分析疲勞壽命時對其用Workbench內置的Goodman理論進行修正，Goodman理論方程為：

σa/σ-1+σm/σb=1

Goodman理論屬于保守型理論，在工程實踐中用的最多，因此采用Goodman理論對船載“動中通”天線支耳的平均應力進行修正[5-6]。

然后點擊求解命令，模型開始求解，求解結果如圖7所示。

圖7 疲勞壽命分析結果

疲勞壽命（Life）分析結果顯示的是由于疲勞作用到支耳失效的循環次數，其數值表示支耳在工作時所能循環的次數[7]。從疲勞壽命云圖可以看出，支耳的疲勞壽命是永久的，也就是說，支耳永遠不會因為疲勞而發生破壞，符合船載天線的使用要求。

通過以上對船載“動中通”天線支耳的靜力學分析和疲勞壽命分析可以得出，本次設計合理，滿足設計和使用要求。

針對本文設計的新型船載“動中通”天線，筆者單位已將產品樣機生產成型，見圖8。

3 結論

圖8 船載“動中通”天線樣機

本文通過應用Workbench有限元分析軟件對船載“動中通”天線支耳進行有限元數值模擬分析，設計了一種新型船載“動中通”天線。在設計過程中通過理論指導，結合以往工程成功案例，應用三維建模軟件和有限元分析軟件設計出多種方案。通過各種方案的對比和試驗的方法最終驗證本設計方案的合理性。經過對樣機進行一系列的測試，該產品各項指標均已達到使用需求，后續將進行一系列的推廣和量產。本研究在解決工程問題的同時，也為后續船載“動中通”的結構設計提供相關參考。

［1］馬國霞，譚志良.船載動中通衛星天線系統的應用［J］.廣東造船，2012，14（4）：57-59，62.

［2］韓林，韋要.中國海域內動中通衛星通信的應用［J］.電信快報，2012，12（5）：15-18.

［3］胡正非.船載“動中通”圓錐掃描系統結構設計［J］.機械工程師，2006，44（8）：58-60.

［4］蘇偉，董繼先，樊聯哲.基于Workbench的顎式破碎機肘板結構優化與分析［J］.制造業自動化，2014，36（16）：112-115.

［5］李先鋒，楊建偉，賈志絢.基于Workbench車輛減振器彈簧盤的疲勞分析［J］.北京建筑工程學院學報，2012，28（2）：50-55.

［6］袁建梅，劉兵.圓柱螺旋彈簧的參數化建模及其疲勞分析［J］.機械工程師，2013（4）：92-93.

［7］蘇偉，董繼先，樊聯哲.基于有限元的振動磨機研究與設計［J］.煤礦機械，2015，36（2）：16-19.