一種天線支架的結構設計及有限元分析

徐國梁 康鵬 徐興盛 彭浩宸

摘要：結合某型接收天線使用要求，設計了一型天線支架，并對其進行有限元分析。分析在12級風作用下天線支架的應力和變形，確定了具體的設計參數，實現了結構安全可靠和輕量化。所提方法適用于天線支架的靜力學分析問題，可為同類型設計提供參考。

關鍵詞：天線支架；結構設計；有限元分析

中圖分類號：TH113? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.014

0? ? 引言

某型接收天線，安裝在沿海地區及島礁的臺站中，臺站常年無人值守，安裝架設僅由兩人完成。此類使用環境對天線支架的設計提出了一定要求，既要保障天線性能，又要滿足安全性、可靠性、運輸性等要求。結構過于輕薄會被強風破壞，過于厚重會導致成本增加且安裝困難，因此設計結構合理的天線支架非常重要。

目前，一些學者圍繞此類結構設計、風載分析問題開展了大量工作。文獻[1]建立了某型雷達天線的有限元分析模型，通過強度分析等方法實現了對天線結構設計、生產與決策的指導。文獻[2]仿真了天線支架在不同結構形式、材料和厚度條件下的應力和變形，最終確定了天線支架具體的設計路線。文獻[3]設計了三種不同結構形式的全向天線支架，并對其進行模態分析、隨機振動分析，根據分析結果獲得了最優的結構形式。

本文設計了一型天線支架，并使用有限元分析軟件，仿真模擬在12級風作用下的應力和變形。依據仿真結果，確定了相關設計參數。

1? ? 技術要求

該型天線為固定站使用，應滿足下列技術指標及環境要求：

（1）天線支架具有足夠的強度和剛度，為電路單元的連接和固定提供安全可靠的支撐。12級風時（風速35 m/s）要求雷達天線不能被破壞。

（2）設備艙為19 in（0.48 m）標準上架式機箱，可實現室內外通用。

（3）天線支架重量不超過35 kg。

（4）設備露天放置，滿足防鹽霧要求。

2? ? 結構設計

2.1? ? 設計方案

天線總高約1 500 mm，整體結構由天線支架、設備艙、遮陽罩、天線罩（內含接收天線）、GNSS天線等組成。天線罩固定在天線支架頂端，GNSS天線和設備艙布置在支架兩側，結構如圖1所示。

天線支架主體由316L不銹鋼管、316L不銹鋼板焊接而成。主支架長1 300 mm，主支架底部與底盤相連，附帶4個三角形斜撐。底盤開孔與混凝土基座預埋螺栓相對應。支架頂部的法蘭盤采用類似結構，與主支架焊接為一體，開孔與天線托盤對應。結構如圖2所示。

在主支架的兩側面焊有兩處不銹鋼板法蘭盤，側支架、設備艙通過對應螺栓與法蘭盤連接。側支架由外徑51 mm的316L不銹鋼管彎折而成，GNSS天線通過螺栓連接固定在其頂端。

2.2? ? 材料選擇及表面處理工藝

選用耐腐蝕材料是抗鹽霧的最有效方法之一。為防止鹽霧環境造成設備表面出現銹蝕，在天線支架、機箱等材料上選擇316L不銹鋼，在天線罩等材料上選擇用玻璃鋼，均具有良好的抗鹽霧腐蝕性。

316L不銹鋼是含鉬元素奧氏體不銹鋼，與鋁合金、304不銹鋼等材料相比，具有更好的抗化學腐蝕性，可以耐硫酸、磷酸等強酸腐蝕，在海水環境中也可表現出很好的耐腐蝕性能，因此廣泛應用于船只、沿海建筑物及設備；并且316L具備優良的焊接性[4]，適合在此類天線支架中使用。

天線支架使用的316L不銹鋼材料均采用表面鈍化工藝。表面鈍化是指金屬經強氧化劑或電化學方法氧化處理，使表面變為不活潑態即鈍態的過程，是使金屬表面轉化為不易被氧化的狀態，從而延緩金屬的腐蝕速度的方法。通過鈍化，可以有效提高不銹鋼表面的耐腐蝕性能，可提高抗鹽霧性能10～20倍甚至更高。

同時，天線支架整體噴漆。在設備外表面均勻噴涂油漆，采用“底漆+中間層+面漆”的多層噴漆工藝，形成一定厚度的漆膜，隔絕水分子、鹽霧分子向零件表面的滲透和腐蝕，達到隔絕鹽霧的作用，進一步增強設備抗鹽霧性。

3? ? 有限元分析

3.1? ? 概況

為實現天線支架強度高、重量輕的目標，在保證整體結構抗風能力的前提下，要求鋼管的壁厚盡可能薄，因此需要分析天線支架結構在12級風載作用下的靜力學性能。

當設備受到風載荷時，會在主支架與斜撐的交接處產生應力集中，為防止被破壞，主支架需要足夠的壁厚，壁厚又決定了天線支架的總重量，因此通過有限元分析合理選擇主支架壁厚尤為重要。

為保證接插件安裝空間，主支架內徑需大于100 mm。根據文獻[5]，選取外徑114 mm的316L不銹鋼管，壁厚規格選取最薄的3 mm，此時天線支架總重量31 kg，滿足設計要求。

3.2? ? 風載計算

設備使用時會受到來自不同方向的風載影響，天線支架會出現彎曲和扭轉兩種形態，以上兩種形態都會影響天線支架的強度。因此在仿真分析時，要考慮不同方向風作用下的影響。

在此，引入兩種風載環境進行分析，一種是對支架底部彎矩最大的縱向風，另一種是對支架底部扭矩最大的橫向風。風向示意圖如圖3所示。

有關風載論述和研究的文獻[6-11]較多，對于不同的研究問題，研究人員提出了多種可計算風載的方法。

根據文獻[6]規定，作用在結構單元面積上的風荷載應按下式計算：

式中：ω是作用在結構單位面積上的風荷載；βz是風振系數，βz=1.0；μs是風荷載體型系數；μz是風壓高度變化系數，μz=1.52；ω0是基本風壓，ω0=766 N/m2。

作用在結構上的風荷載應按下式計算：

式中：An是結構的迎風面積。

計算的橫向風荷載如表1所示。

縱向風荷載如表2所示。

3.3? ? 構建模型

根據結構的特征尺寸參數構建仿真分析模型，為減少仿真分析的計算量，對結構進行簡化。將構建的仿真分析模型簡化為立柱和斜撐兩部分，立柱和斜撐都依據尺寸選用SHELL181殼單元和SOLID187體單元。將GNSS天線、設備艙和天線罩分別簡化為一個剛體，以質點的形式施加在安裝位置上。

全部材料選用316L不銹鋼，彈性模量E為193 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為170 MPa。安全系數取1.5，許用應力為113.3 MPa。

3.4? ? 風載分析

對仿真模型施加表1和表2中計算的荷載，計算35 m/s的橫向風、縱向風對結構的影響，計算結果如圖4和圖5所示。

圖4為35 m/s的橫向風對結構的變形仿真結果，從圖中可知，35 m/s的橫向風會使結構產生1.46 mm的變形，對結構的變形影響可以忽略。產生的最大應力為59.4 MPa，位置在主支架與斜撐交接處。

圖5為35 m/s的縱向風對結構的應力仿真結果，從圖中可知，35 m/s的縱向風會使結構產生最大1.84 mm的變形，最大變形位置在支架頂端，對結構的變形影響可以忽略。產生的最大應力為71.2 MPa，位置在主支架與斜撐交接處。

比較以上模擬結果，發現最大應力出現在35 m/s的縱向風載條件下，最大應力為71.2 MPa，小于許用應力113.3 MPa，整體結構滿足強度要求，主支架確定為外徑114 mm、壁厚3 mm的316L不銹鋼管。

4? ? 結論

本文以某型接收天線技術要求為依據，設計了一種外形緊湊、重量較輕的天線支架，整體結構穩定可靠，滿足抗風指標要求，適合架設在無人值守的站點內。通過有限元分析得出以下結論：

（1）本文的方法能夠獲得滿意的計算仿真結果，能夠明顯分析出結構的形變和應力分布；

（2）通過分析形變、應力的計算結果，可以確定符合要求的設計參數。

[參考文獻]

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收稿日期：2023-03-03

作者簡介：徐國梁（1991—），男，山東淄博人，工程師，主要從事電子設備結構設計工作。