基于 Workbench 的某天線副面支撐結構優化設計

摘要：天線副反射面是卡塞格倫拋物面天線系統中的重要組成部分，而副面支撐結構在固定副反射面的準確位置中承擔了不可或缺的作用。原有的副面支撐結構加工和裝配工藝均較為復雜，費時費力。通過三維建模軟件設計了一種加工簡單、安裝方便的副面支撐結構，并運用有限元分析軟件，對其進行力學分析與計算。結果表明，新設計的副面支撐結構各項指標均滿足使用需求;同時，優化設計后的副面支撐結構不僅在加工和裝配工藝方面較原有結構大簡化，也減少了零部件的種類和數量。該副面支撐結構已成功應用于多臺套的天線中，工作狀態良好。

關鍵詞：天線;副面支撐;有限元;優化設計

中圖分類號：TN82文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0223-04

Optimization Design of the Supporting Structure of an Antenna Sub Reflector Based on Workbench

Su Wei

（ The 39th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Xi′an 710065，China ）

Abstract：The sub reflector is an important part of theCassegrain parabolicantenna system，and thesupporting structureof thesub reflectorplays an indispensable role in fixing the accurate position of the sub reflector. The processing and assembly technology of the original supportingstructure of the sub reflector is complex and time-consuming. A kind of supporting structure with simple processing and convenient installationwas designed by using 3D modeling software，and mechanical analysis and calculation were carried out by using finite element analysis software. The results show that all indexes of the new supporting structure meet the use requirements. Meanwhile，the optimized structure processing andassembly process is greatlysimplifiedcompared with theoriginalstructure，reducing thetypeandnumber of parts. Theoptimizedsupportingstructure of the antenna sub reflector has been applied to multiple sets of antennas and works well.

Key words：antenna;supporting structure;finite element;optimization design

0 引言

隨著科技的高速發展，天線已廣泛應用于通信、測控、雷達、遙感、氣象等諸多領域。本文中所涉及的天線為卡塞格倫拋物面天線，該類型天線具有雙反射面天線，其主反射面是旋轉拋物面，副反射面是旋轉雙曲面結構[1]，其中副反射面位于拋物面的焦點處，因此需要對副反射面進行必要的支撐以保證主反射面、饋源和副反射面三者之間的工作關系。

天線的饋源安裝在主反射面中心位置的中心體上，中心體上加工有止口，保證了主反射面和饋源之間的位置關系，由于副反射面是懸空在主反射面的中心軸上方，因此，需要副面支撐結構對天線的副反射面進行支撐，確保天線的主反射面、饋源和副反射面處在同一軸線上[1-3]。隨著天線主反射面口徑的增大，副反射面的尺寸和質量也在隨之增大，為了保證副反射面工作時的穩定性，副面支撐結構顯得尤為重要。原有副面支撐采用雙撐桿結構、撐桿之間焊接有鋼管用以加強副面支撐，整個結構系統由多種零件焊接組成，重達100 kg 以上，加工和現場裝配均費時費力。針對此問題，文中設計了一種結構簡單、質量較輕，并且加工和裝配均方便的副面支撐結構，該結構不但節約了材料的種類和使用量，節約了成本，同時也降低了加工和裝配時的工作強度和難度，在該天線系統使用的同時，可推廣至其他相近口徑天線系統中。

1 天線工作原理

如圖1所示，天線主要由天線座架、主反射面、副反射面、饋源、副面托盤、副面撐腿等組成。卡塞格倫天線作為雙反射面天線的一種，其工作原理和拋物面天線具有相似之處。卡塞格倫天線采用雙曲副反射面與后饋式饋源結構，使得饋源輻射出的電磁波經副反射面與主面兩次反射到主面口徑面上。當饋源位于旋轉雙曲面的實焦點處時，由實焦點發出的射線經過雙曲面反射后的射線，就相當于由雙曲面的虛焦點直接發射出的射線[4-6]。因此只要是雙曲面的虛焦點與拋物面的焦點相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射線被拋物面反射成平面波輻射出去，以實現定向發射。卡式天線能夠很好地控制天線口徑面上的場分布。天線系統的剖面結構原理如圖2所示。

因此，副反射面位置的穩定性對天線的整體性能有著極其重要的作用，如圖1所示，現有的副面支撐結構采用上下搭接的副反射面撐腿結構，整個部件加工和安裝工藝都較為復雜，因此需對其進行結構優化。

2 天線副面支撐結構建模

文中所涉及的天線副面支撐結構主要包括副反射面、副面托盤、調整托盤、過渡支架和副面撐腿。整體結構效果如圖3所示。本設計的主體思想是滿足使用需求的前提下，盡量利用現有模具和常規材料，減少材料的種類和數量，加大材料的利用率，簡化加工和裝配工藝的復雜性。

2. 1副反射面

副反架安裝，如圖4所示。

2.2 副面托盤

副面托盤采用多塊板料拼焊而成，材料均為Q235A，質量25.7kg。因為四角處通過螺絲與副面撐腿相連，受力較大，采用10mm厚鋼板，其余部分采用5mm厚的鋼板焊接而成，四周一圈和中間均采用鋼板折彎后焊接的工藝，整體呈對稱結構，大大減少了下料的種類和規格。考慮到天線主反射面的重力變形，副反射面在實際的使用過程中需要做一些微調，因此在副面托盤四周打有4個長條孔，與調整托盤上另外一個方向上的長條孔呈十字交叉形狀，保證副面在使用的過程4個方向的微調，如圖5所示。

2.3 調整托盤

為了減少材料的種類和數量，調整托盤采用整塊鋼板折彎焊接而成，材質Q235A，厚度4mm，質量9.8kg。工藝簡單，使用方便，橫向四周打有4個長條孔，與副面托盤上另外一個方向上的長條孔呈十字交叉形狀，保證副面在使用的過程4個方向的微調，如圖6所示。

2.4 過渡支架

為了充分利用現有資源，在模具不變的情況下，需要在副反射面和調整托盤支之間加一個過渡支架，為一個焊接框架結構，采用鋼板折彎，并與一個過渡環焊接的加工工藝，工藝簡單，操作方便，材質Q235A，厚度4mm，質量8.1kg。四角鋼板折彎件與副反射面通過16個M8的螺栓進行固定，上方過渡環與調整托盤通過8個M8螺栓進行固定，中間為減重孔，如圖7所示。

2. 5 副面撐腿

副面撐腿采用標準型常用材料76 mm ×38 mm 橢圓形管材，兩頭焊接兩塊連接鋼板組成，兩端鋼板分別和主反射面支座與副面托盤通過螺栓固定在一起，材質均為Q235A。如圖8所示。

3 天線副面支撐結構有限元分析

副面支撐結構對副反射面的工作穩定性有著不可替代的作用，從而對天線性能有很大的影響。因此，在保證副面支撐結構安全可靠的前提之下，同時考慮零部件的加工和裝配工藝的方便性和可實現性。對副面支撐結構進行有限元受力分析[9-10]。

3. 1材料選擇

根據使用要求，副反射面采用2A12硬鋁材質，在Workbench 中Engineering DateSource 目錄下選取所需材料，2A12鋁合金的彈性模量為7. 1×1010，密度2770 kg/m3，泊松比0. 33;副反射面撐桿、副反射面托盤等結構均采用Q235A 材質，彈性模量為20×1010，密度7850 kg/m3，泊松比0. 30。

3. 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，文章第2節運用Solidworks 三維建模軟件對天線副面支撐進行模型構建，然后將幾何模型導入Workbench 進行有限元分析。根據副面支撐結構的實際使用工況，在螺栓連接的地方采用局部加密的方式保證連接點處分析結果的準確性[11]，網格采用四面體結構。最終得到的網格節點數為314935，單元數為150293，網格質量平均Skewness （畸變度）為0. 68，網格質量好[12-13]，如圖9所示。

3. 3 施加約束與載荷

經過力學分析可知，副反射面主要是通過均勻分布的4根副反射面撐腿來保證其工作位置，副反射面撐腿和天線主反射面、副反射面均通過螺栓來連接，將4根撐腿根部設置為固定約束，如圖10所示。

在Solidworks 將材料屬性賦予模型的各個零件，最終計算可得副反射面、副面撐腿以及螺栓等前端零部件總重力為637. 8 N。因為該天線為普通線動座架，工作角度為+5°～+90°，經受力分析可知，天線在俯仰角最低的時候（+5°）時，此時副面支撐結構產生的力矩是最大的，在俯仰角+5°的狀態進行了受力分解。垂直、水平受到的分力應為635. 37 N、55. 588 N。載荷施加情況和約束情況如圖11所示。

3. 4 靜力學分析

經過有限元分析，得到副面支撐結構的靜力學分析結果，提取等效應力、等效應變和總變形計算結果，如圖12～14所示。從分析云圖可知，支耳受到的最大等效應力為24. 09 MPa，遠小于材料的屈服強度235 MPa，因此副反射面撐腿不會因材料的屈服強度產生破壞;最大的等效應變為0. 00012198，副反射面撐腿變形非常小;副反射面撐腿的最大總變形為0. 34172 mm，根據該天線的工作頻率，該變形量完全可以滿足天線的使用需求，滿足設計要求[11-13]。天線新支撐結構設計合理。

4 結束語

本文設計了一種新的拋物面天線副面支撐結構，包括結構模型和分析計算。

（1）運用Solidworks 三維建模軟件，對天線副面支撐結構進行了設計與建模，并通過軟件對各零部件的材料屬性進行定義，計算出了各零部件的尺寸，為后續分析計算提供支撐。

（2）運用Workbench 有限元分析軟件對上述副面支撐結構模型進行簡化、受力分析、網格劃分、施加約束與載荷，并對其進行了靜力學分析與計算。經過有限元靜力學分析與計算，結果表明：優化后的新副面支撐結構各變形參數均滿足材料的應力指標和體系的使用需求。

（3）新副面支撐結構大簡化了現有結構，在加工過程中不但節約了材料的使用量，同時減少了材料的種類，加工簡單方便;在裝配時，也大減少了工作量。本副面支撐結構已成功應用于多臺套相關天線上，如圖15所示，均工作良好。

在設計優化過程中通過理論指導，結合以往工程經驗，運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。計算機仿真結果和實際使用情況均表明本次優化設計合理可行，解決了原有結構質量太大，加工和裝配均不便的問題。本研究在解決工程問題的同時，也為后續相關研究提供一定參考。

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第一作者簡介：蘇偉（1988-），男，碩士，工程師，研究領域為天線結構設計及力學分析，已發表論文10余篇。

（編輯：刁少華）