一種車載自動架設天線陣結構設計與力學分析

摘要：根據天線陣設計總要求，對其自動架設各動作機構設計進行了詳細闡述，并按照重要設計指標對主要結構體進行力學仿真分析。

關鍵詞：車載機動性;自動架設;力學分析

中圖分類號：TN957.8 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0049-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.011

0 引言

電子信息化技術的快速發展，對相關產品性能提出了越來越高的要求：一方面，在復雜的電磁環境中，為了提高產品對目標信號的捕捉能力，其天線陣口面設計尺寸不斷增大;另一方面，為了提高產品在各種復雜環境下的生存能力，需要根據電磁環境態勢隨機快速轉換場地，對產品機動性提出了更高的要求。

車載產品系統與固定站產品系統相比，具有機動性好、可迅速靈活轉移等特點。但大型天線陣的技術發展趨勢帶來了一系列問題，例如天線組合體拆裝運輸不方便，嚴重制約了其在車載平臺上的應用。因此，大型天線陣能夠在場地快速自動架設展開投入工作狀態，具有架設人員少、工作強度小的特點，滿足當前對電子信息化產品高機動性的基本要求[1]。

1 設計總要求

產品主要設計功能及指標要求：

1）產品折疊撤收后可滿足公路運輸限界要求。

2）六面陣工作時需要適時保持水平姿態。

3）主面陣背架上天線單元安裝基面精度在±5 mm以內（包括±5 mm）。

4）天線陣抗風能力：在10級風力（28 m/s）下正常工作，12級風力（36 m/s）環境下不損壞。

5）自動架設/撤收時間小于10 min。

2 天線陣結構設計

2.1 結構布局設計

該天線陣主要由主面陣、六面陣組成。其中，主面陣由若干天線單元（陣列分布）、3個機箱Ⅰ、1個轉接箱組成，六面陣由24個天線單元、1個機箱Ⅱ組成。根據各設備功能及結構特點，采用以下結構布局設計：主面陣隨方位轉盤回轉;機箱Ⅰ（3個）、機箱Ⅱ（1個）及轉接箱集成在主面陣背部;六面陣固定在主面陣頂部;設備艙固定于方位轉盤上。該車載組合天線陣結構布局設計如圖1所示。

2.2 主面陣折疊設計

主面陣由天線單元陣列排布而成，為了保證每個天線單元的安裝精度，主面陣背架采用Q355B矩形管焊接，矩形背架對角采用Q355B斜撐圓形管加強形式，用以保證天線陣背架的剛強度。

根據主面陣天線外形尺寸，并綜合考慮底盤自身高度及GJB 2948—1997《運輸裝載尺寸與重量限值》中關于公路運輸車輛外形限制的要求（12 000 mm×2 500 mm×4 000 mm）[2]，主面陣背架沿著縱向線分解為左背架、中心背架及右背架三片結構體，相互通過軸式機械鉸鏈連接;主面陣左、右背架的展開和折疊采用電動缸來驅動;主面陣展開到位時，相鄰兩片背架拼縫處設計拼接凸臺面來定位;由于主面陣尺寸大，左、右背架重量較重，連接的機械鉸鏈負載力不均衡，因此左、右背架采用雙桿電動缸同時驅動，可增強主面陣結構系統傳動穩定性。為解決雙桿電動缸動作同步問題，此處采用單電機同步驅動雙桿電動缸機構，并在其減速器輸入端設置應急狀態時使用的手搖接口。主面陣折疊機構設計如圖2所示。

2.3 主面陣倒伏設計

主面陣的中心背架固定于方位轉盤上，同樣采用單電機同步驅動雙桿電動缸機構，實現主面陣的翻起和倒伏;電動缸選用梯形絲杠螺母傳動形式，自身具有自鎖性，一方面可保證電機意外斷電主陣面翻起過程中的安全穩定性，另一方面，方便電機減速器故障的拆卸維修。主面陣倒伏機構設計如圖3所示。

2.4 六面陣水平調節設計

當主面陣俯仰工作角為α°時，六面陣亦會跟隨俯仰α°;依照設計要求，六面陣工作時其需保持在水平狀態，此處六面陣底座采用旋轉鉸鏈與主面陣頂端連接，并在其底座下方布置一個電動缸，進行-α°的反向轉動補償，從而調節六面陣至水平狀態，如圖4所示。

2.5 天線陣運輸鎖定設計

天線陣倒伏后車載運輸時，會隨路基狀況受到隨機振動和沖擊，為防止對天線陣和舉升電動缸造成疲勞應力破壞，需要將倒伏的長懸臂天線陣進行固定，此處在中心背架背部頂端處設置V型導向塊，其側面預制銷孔;對應的車載平臺上設置運輸托架，在其上安裝V型導向座和自動鎖定機構;當天線陣倒伏臨近到位時，V型導向塊和V型導向座配合導向，天線陣倒伏到位后，由自動鎖定機構自動鎖定。運輸鎖定機構設計如圖5所示。

2.6 天線陣撤收過程

當完成相關工作后，對天線陣進行撤收時，在伺服控制箱上有“自動撤收”（按鍵一次，連續完成撤收）操作鍵，可一次性完成撤收。將撤收動作分解后，步驟如下：

1）六面陣回初始零位（和主面陣恢復0°夾角），動作完成時間約30 s;

2）主面陣俯仰回90°零位，動作完成時間約90 s;

3）主面陣折疊，動作完成時間180 s;

4）主面陣倒伏，動作完成時間270 s;

5）運輸鎖定，動作完成時間10 s。

撤收完成后，運輸狀態如圖6所示。

自動架設過程按照撤收過程逆向動作即可，兩者動作過程用時一致。

自動架設/撤收天線陣時，以上動作連續完成實測時間合計580 s，滿足小于10 min的設計指標要求。

3 天線陣力學分析

3.1 有限元建模及工況分析

依照天線陣三維模型，建立有限元分析模型;對天線陣的各種工作環境和工況進行分析，影響天線陣面主要工況為陣面展開時其重力及風力載荷;按照10級28 m/s風力作用下正常工作，36 m/s風力作用下不損壞的指標要求進行力學分析。

3.2 材料

天線陣背架的制造加工材料為高強度結構鋼Q355B，其材料力學性能如表1所示。

3.3 力學分析

3.3.1 變形分析

天線陣背架在10級風力28 m/s條件下工作，其有限元分析位移云圖結果如表2所示。

3.3.2&nbseWHYPfZm7DP9NLDxVEE8GQ==p; 強度分析

天線陣背架在12級風力36 m/s條件下工作，其有限元分析應力云圖結果如表3所示。

3.4 結論

根據以上有限元分析數據，在10級風載荷下，主面陣背架結構變形最大值為3.91 mm，達到指標小于5 mm要求;在12級極限風載荷下，主面陣和六面陣背架結構最大應力為182 MPa，小于屈服極限應力355 MPa，滿足設計要求。

4 結束語

本文按照車載產品設計要求，對天線陣進行結構布局設計;結合車載平臺尺寸，對天線陣自動架設各機構進行設計，以滿足公路運輸機動性要求;各機構均采用伺服電機驅動執行相應動作，提高了產品架設自動化程度;其中的折疊、倒伏機構采用單電機同步驅動雙桿電動缸機構執行相應動作，優點是主面陣展開后，車載設備抗風載荷能力強，展開折疊過程中傳動系統穩定，可增強產品機動性、設計可靠性。

另外，將六面陣堆疊在主面陣頂部，依托主面陣翻起后的頂部高度，達到其工作高度條件;設計一種角度調節機構，滿足六面陣水平姿態工作條件。此處摒棄采用獨立升降塔舉高六面陣的行業傳統設計方案，既提高了車載平臺空間利用率，又較大地縮短了架設/撤收時間。

利用相關分析軟件對最惡劣工況下的天線陣進行了有限元分析，結果表明天線陣剛強度均符合理論設計要求。目前該產品已經順利完成各項長途轉場任務，通過了實際環境的檢驗，驗證了該產品設計的正確合理性，可為行業相關產品結構設計提供參考。

[參考文獻]

[1] 張增太.機動式雷達自動架撤系統的結構設計[J].雷達科學與技術，2004（6）：345-348.

[2] 運輸裝載尺寸與重量限值：GJB 2948—1997[S].

收稿日期：2024-07-09

作者簡介：呂立剛（1981—），男，上海人，工程師，研究方向：電子設備結構設計。

徐良春（1970—），男，上海人，高級工程師，研究方向：電子信息技術。