基于有限元的某天線反射體結構優化設計

摘 要：作為主反射面、副反射面以及饋源的承載體，天線反射體是拋物面天線結構系統的核心組成部分。原有天線反射體結構、加工和裝配工藝均較為復雜，費時費力，現通過三維建模軟件對原有天線反射體結構進行了優化設計，運用有限元軟件，對新反射體進行了力學分析與計算，優化后的反射體結構各項指標均滿足使用需求。新反射體不僅簡化了整體結構和加工工藝，同時安裝方便，省時省力，經濟性能也得到了較大提升。優化后的新反射體已成功應用于多個工程，工作狀態良好。

關鍵詞：反射體;結構;有限元;優化設計

中圖分類號：TN820? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.011

0? ? 引言

自1887年德國物理學家海因里希·赫茲發明拋物面天線以來，拋物面天線憑借其高方向性等特點在衛星通信領域得到了迅速發展，已廣泛應用于通信、測控、雷達、遙感、氣象等諸多領域[1]。

拋物面天線系統主要包括結構子系統、伺服系統和信道系統。其中結構子系統主要由天線座架、天線反射體和饋源結構三大部分組成，天線座架和地面通過基礎來固定，饋源結構部分固定于天線反射體的中心位置[1-2]，天線反射體主要由天線主反射面、副反射面、中心體、輻射梁、環梁以及一些斜拉桿組成。

本文主要是針對結構子系統中的天線反射體進行優化設計。

1? ? 天線反射體設計

如圖1所示，天線反射體包括主反射面、副反射面、中心體、輻射梁、環梁、副反射面支撐桿以及一些斜拉桿。

1.1? ? 中心體

中心體是整個反射體的中心節點，將所有零部件固定在一起。原有中心體材質Q235A，采用中間一個圓筒結構，圓筒內部焊加強筋，外圍采用角鋼和T型鋼組合的焊接結構，焊接量大，焊接時定位不便，整個中心體質量為543 kg，如圖2所示。新中心體材料不變，將原有圓筒結構進行了適當加大，內部焊接加強筋，外部焊接和輻射梁連接支耳的結構，大大減少了材料的種類和數量，加工工藝簡單，焊接方便，質量減少102 kg，如圖3所示。

1.2? ? 輻射梁

輻射梁是整個反射體的支撐結構，包括主反射面、副反射面支撐桿等零部件，整體材質Q235A。原有輻射梁將H型鋼從中間進行均勻切割，將切割好的類似T型鋼和角鋼通過節點板進行焊接，如圖4所示。新輻射梁整體采用厚度為2 mm的40 mm×40 mm方管焊接結構，減少了材料的種類和規格，如圖5所示。新輻射梁將原有質量由47 kg降至23 kg，方便了現場搬運和安裝;同時，新輻射梁最上端的方管根據主面曲線采用拉彎工藝，可以將原來的多種長度主面調整螺桿統一成一種長度，減少了主面調整螺桿的長度。

1.3? ? 環梁及斜拉桿

環梁及斜拉桿材質均采用Q235A。原有環梁及斜拉桿部分采用角鋼，部分采用圓鋼管兩頭焊接接頭的工藝，材料種類較多，圖6為原有環梁結構。如圖7所示，新環梁及斜拉桿均采用5 mm厚50 mm×50 mm角鋼，兩邊打孔連接的結構，將原有的多種材料優化為一種材料，同時減少了焊接環節，提高了生產效率，方便操作。

通過整體的優化設計，新反射體和原反射體在結構形式上有了很大的變化，如圖8和圖9所示。整個優化過程中，反射體所用材料的種類和數量大幅度較少，其中斜拉桿由原來的64根減少至現有的16根，整體質量由原來的2 330 kg降至1 445 kg，輻射梁由原來的必須兩人合力才能搬移，變成現在一人也可以輕松挪動，大大降低了現場安裝人員的工作強度和工作量。

2? ? 天線反射體結構的有限元分析

天線反射體結構工作的穩定性決定了整個天線系統是否能夠正常工作，對整個天線系統有著至關重要的作用。反射體在工作狀態下，除受到自身結構的影響外，風載荷對其影響最大，因此對反射體結構進行了風載荷受力分析[3]。

2.1? ? 材料的選擇

根據使用要求，主反射面采用3A21軟鋁材質，定義選取所需材料，材料的彈性模量為71 GPa，密度2 770 kg/m3，泊松比0.33;副反射面撐桿、中心體、輻射梁、環梁等結構均采用Q235A材質，彈性模量為200 GPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.30[3-4]。

2.2? ? 網格劃分

網格劃分的好壞將直接影響有限元分析結果，本文運用SolidWorks三維建模軟件對天線反射體進行模型構建，然后將幾何模型進行簡化，進行有限元分析。根據反射體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[5]，如圖10所示。

2.3? ? 靜力學分析

天線反射體靜力學分析時，將饋源及副反射面作為等效載荷加在各自的相應位置。面板作為質量單元，加在背架的支撐點上。中心體、輻射梁根據各自的力學特征，離散為相應的板單元、梁單元[5-6]，選取風速30 m/s，按照風正吹、風側吹、風背吹三種工況進行計算。

經過有限元分析，得到副面支撐結構的靜力學分析結果，提取總變形和等效應力計算結果，如圖11、圖12所示。從計算結果可知，天線在30 m/s風速下天線主反射面最大變形為1.2 mm，經計算，主面變形均方根σ滿足天線工作需求;天線最大應力發生在中心體下連接板上，應力最大值為44 MPa，而鋼材許用應力為250 MPa，天線結構最大應力小于鋼材許用應力值，天線結構是安全的[7-8]。798C12D7-4142-4A62-A798-8F84714161B4

如圖13所示，在56 m/s風速條件下，天線處于朝天鎖定位置，此時天線所受風向角為90°，僅承受側向風力和風力矩，天線最大應力發生在中心體和輻射梁連接處，應力最大值為63 MPa，天線結構最大應力小于鋼材許用應力，天線反射體結構是安全的，不會發生破壞，也不會發生永久性變形，天線反射體結構設計合理。

3? ? 結論

本文通過對原有天線反射體結構進行分析研究，將原有結構進行了優化設計，設計了新的結構模型，并進行了分析計算。

（1）通過三維建模軟件，對天線反射體結構中的中心體、輻射梁、環梁以及整個反射體的結構進行了優化設計與建模，并對各零部件的所用材料和型號進行定義，計算出了各零部件的重量，為后續分析計算提供了支撐。

（2）運用有限元分析軟件對優化后的反射體結構模型進行簡化、網格劃分，并對其進行了靜力學分析與計算。經過分析與計算，優化后的新反射體各變形參數均滿足材料的應力指標和使用需求。

（3）新反射體結構對原有結構進行了很大的優化，在加工過程中減少材料種類的同時，也大大節約了材料的用量;在裝配過程中，充分考慮了現場安裝的便捷性，降低了現場的工作強度和工作量。新反射體已成功應用于多個工程項目，均工作良好，未出現相關設計問題。

在整個優化設計過程中，結合相關工程經驗，運用專業軟件設計出多種方案，通過對比和相關試驗，最終驗證了本次優化設計的可行性和合理性。本次優化設計后的天線反射體結構簡單，加工和裝配工作強度大幅降低，減少了材料的種類和數量，大大降低了反射體的重量，節約了成本，為后續的天線反射體設計提供了一定的參考。

[參考文獻]

[1] 余丹敏.大口徑可展拋物面天線支撐桁架結構優化設計及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2020.

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[8] 沈龍，俞憲壽，李加文.EA16型十六米天線反射體靜力學分析[J].電子機械工程，1996（2）：21-36.

收稿日期：2022-03-28

作者簡介：蘇偉（1988—），男，陜西榆林人，碩士，工程師，研究方向：天線結構設計及力學分析。798C12D7-4142-4A62-A798-8F84714161B4