基于隨機振動仿真分析的陣列天線結構改進

楊 虎，陳俊桃，蘇關云，廖 銳

（成都西科微波通訊有限公司，四川 成都 610000）

引言

隨機振動試驗作為考核機載電子裝備環境適應性的一個主要項目，是評估產品抗振性能、耐振強度以及可靠性的最基本試驗手段，在電子裝備篩選、驗收和交付試驗中得到廣泛應用[1]。

某型陣列天線屬于機載設備，應滿足“標準振動環境”條件要求，需按圖1所示的隨機振動功率譜密度（簡稱“PSD”）曲線[2-3]做隨機振動試驗。受試設備不加電，振動持續時間為每軸向（X、Y、Z）1 h。

圖1 PSD曲線

該天線設備主要由天線反射框、4個天線單元和功分器組成，其三維模型見圖2。

圖2 陣列天線三維模型

首批次初樣設備在完成前兩個方向（X、Y）振動后，設備完好，在完成最后一個方向（Z）后，發現第二個天線單元一個輻射板被振裂，見圖3，振裂位置位于輻射板根部圓角處，圓角半徑為2 mm。

圖3 天線單元輻射板振裂示意圖

為了提高效率、節約試驗費用，快速找到斷裂原因，改進天線結構。文章通過有限元軟件ANSYS Workbench對天線結構改進前后進行隨機振動仿真，并對比分析仿真結果，驗證結構改進的合理性。

1 原結構仿真分析

隨機振動仿真分析的結果輸出是一個標準偏差1σ，該結果服從高斯正態分布，即68.3%的時間下，響應值小于標準偏差1σ；2σ值表示95.4%的時間下響應值小于2σ；3σ值表示99.7%的時間下響應值小于3σ。故3σ結果可以評估等效應力的上限[4]，可用來校核結構的疲勞極限應力。

1.1 網格模型

天線單元輻射板主要采用六面體網格，以便減少單元數量，其余結構較復雜，主要采用四面體網格。由于輻射板為重點關注對象，單獨對輻射板進行尺寸控制（2 mm），其余結構通過整體網格控制進行劃分。整體模型網格單元數為246 134，節點數為632 464。網格模型見下頁圖4。

圖4 網格模型

1.2 仿真結果

分別對天線三個方向進行隨機振動分析，得到三個方向的3σ應力云圖，見下頁圖5。

圖5 原結構三個方向3σ應力云圖

從3σ應力云圖看出，三個方向應力最大值均出現在天線單元輻射板根部圓角處，只是振動方向不同，分布在不同的天線單元輻射板上。三個振動方向最大應力值見表1。

表1 三個方向最大應力值

X、Y、Z三個方向振動最大應力分別為63.34 MPa、47.63 MPa、102.74 MPa，故最大應力發生在Z方向（垂直方向）振動時，位置出現在第2個天線單元輻射板上根部圓角處，最大應力σmax=102.74 MPa，和實際振動試驗斷裂位置吻合。此處應力較大是因為圓角太小（只有2 mm），產生較大應力集中。

輻射板材料為鋁合金6061-T6，疲勞極限為σ-1=87 MPa。

校核：σmax=102.74 MPa>σ-1，已不滿足強度設計要求。

綜上所述，得出天線輻射板斷裂原因：輻射板根部圓角（半徑2 mm）太小，產生較大應力集中，此處應力已超過疲勞極限。

2 結構改進

根據仿真分析結論，天線結構改進如下：增大輻射板根部圓角尺寸，圓角半徑由2 mm增大到10 mm，見圖6。

圖6 天線單元結構改進對比

3 結構改進后的仿真分析

分別對改進后的天線三個方向進行隨機振動分析，得到三個方向的3σ應力云圖，見圖7。

圖7 改進后結構三個方向3σ應力云圖

結構改進前后天線單元上的最大應力對比見下頁表2。

表2 三個方向最大應力值

由表2可知：天線單元X、Y、Z三個方向振動最大應力都有所下降，分別由63.34 MPa、47.63 MPa、102.74 MPa下 降 到35.32 MPa、34.17 MPa、77.85 MPa，分別降低44.2%、28.3%、24.2%，結構改進效果明顯。

校核：天線改進后的最大應力σmax=77.85 MPa<σ-1=87 MPa，滿足強度設計要求。

4 改進后結構的驗證

按改進后的天線結構圖紙生產加工完成后，重新做隨機振動試驗，三個方向振動完成后，天線結構完好無損，順利通過振動試驗，有效驗證了仿真分析與結構改進的合理性。

5 結論

1）仿真分析結果表明天線結構改進后，X、Y、Z三個方向振動最大應力明顯下降，分別降低44.2%、28.3%、24.2%，且最大應力小于疲勞極限應力，滿足設計要求。

2）改進后的天線結構順利通過振動試驗，有效驗證了結構改進的合理性。

3）天線輻射板類似于懸臂結構，和天線支柱連接處附近應力較大，應增大此處圓角過渡，減小應力集中。