機載天線(xiàn)結構設計研究論文

　　1引言

　　0.45m衛星通信(簡(jiǎn)稱(chēng)衛通)天線(xiàn)項目系某型多用途載機首次安裝如此大尺寸、高帶寬的衛通天線(xiàn),國內尚無(wú)類(lèi)似產(chǎn)品裝備可參考,并且其使用環(huán)境條件復雜,這些都對天線(xiàn)結構設計提出了重大挑戰。天線(xiàn)結構設計過(guò)程重點(diǎn)考慮了各結構件在載機實(shí)際工作環(huán)境下的剛度、強度問(wèn)題。其中許多關(guān)鍵部位的結構件,起著(zhù)支撐天線(xiàn)、固定通信饋線(xiàn)及執行伺服驅動(dòng)的作用,同時(shí)承擔和隔離載機產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊,并實(shí)現天線(xiàn)的轉動(dòng)、定位和定向。天線(xiàn)結構件的剛度、強度、重量、轉動(dòng)慣量,直接影響到天線(xiàn)系統的精度和可靠性[1]。在天線(xiàn)結構整體設計階段,采用了ProE三維設計軟件進(jìn)行結構設計,采用有限元法利用大型結構設計仿真軟件MSC.Patran/Nas-tran對天線(xiàn)結構進(jìn)行結構力學(xué)分析和仿真,加強和優(yōu)化主結構件關(guān)鍵部位。仿真和實(shí)驗結果以及實(shí)際飛行使用效果顯示,天線(xiàn)的結構特性均能滿(mǎn)足技術(shù)指標和使用要求。

　　2系統和整機要求

　　根據系統要求,天線(xiàn)系統在飛行過(guò)程中要實(shí)現準確地手動(dòng)/自動(dòng)跟蹤衛星功能,依賴(lài)于天線(xiàn)座結構應具有足夠的剛度、強度和傳動(dòng)精度,以保證整個(gè)伺服系統的結構諧振頻率,提高伺服帶寬,增加系統的穩定性、動(dòng)態(tài)響應和傳動(dòng)精度。此外,根據載機實(shí)際工作環(huán)境要求,在最大限度減輕載機負擔(即減輕天線(xiàn)重量)的前提下,應采取合理布局的設計思路以?xún)?yōu)化結構設計,使天線(xiàn)在使用過(guò)程中能夠排除和降低載機工作環(huán)境對其產(chǎn)生的不利影響,保證其可靠性,達到指標要求[2]。

　　3總體結構設計與優(yōu)化

　　根據載機實(shí)際情況,在保證性能的前提條件下,要求天線(xiàn)的尺寸和重量到達最小,對此進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作,使得0.45m衛通天線(xiàn)外形安裝尺寸(直徑×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天線(xiàn)罩),重量約為50kg,優(yōu)化為700mm×500mm(天線(xiàn)罩),重量約為40kg,如圖1所示。其總體優(yōu)化過(guò)程如下:天線(xiàn)的反射體為降低安裝高度,放棄了傳統的拋物面天線(xiàn),采用了最新研發(fā)成功的低剖面波導陣列天線(xiàn);座架則仍采用典型的方位-俯仰型結構以保證跟蹤的可靠性;為了減輕重量,除關(guān)鍵傳動(dòng)部件采用40Cr合金鋼外,其余結構件全部選用高強度輕質(zhì)鋁合金2A12-T4;由于鋁合金螺紋連接處強度不夠,且重復拆裝性不好,參考已有航空設備安裝措施,裝入鋼絲螺套以提高螺牙強度;天線(xiàn)與機體安裝平臺間裝有隔振裝置以降低機體振動(dòng)帶給天線(xiàn)的影響;天線(xiàn)罩為降低重量,在保證抗風(fēng)強度的前提下,棄用傳統的環(huán)氧玻璃布結構,采用最新的紙蜂窩夾層結構,大大降低了安裝重量;所有電纜和波導則為保證氣密性而經(jīng)密封處理后通過(guò)安裝孔進(jìn)入機艙內部。按照以往的`工程經(jīng)驗,此類(lèi)機載通信/雷達天線(xiàn)在類(lèi)似的環(huán)境和使用要求下,一般應超過(guò)此重量與尺寸。因此,與以往工程設計的不同之處之一,即在設計之初就對各結構件進(jìn)行了反復的比對和二次優(yōu)化。

　　3.1天線(xiàn)結構介紹

　　波導陣列天線(xiàn)的結構尺寸為597mm×300mm×17.5mm,四周切角以減小回轉半徑;經(jīng)過(guò)減重處理后的重量約8kg,電氣性能與0.45m口徑拋物面天線(xiàn)等效,而高度和厚度則大大低于傳統的拋物面天線(xiàn)。采用這種天線(xiàn)的優(yōu)勢包括剖面低、輻射效率高、口徑分布控制精確、低副瓣、波束指向穩定、功率容量大、剛度和強度好、結構緊湊、厚度薄、相對重量輕、可靠性高等優(yōu)異的電氣和結構性能等。

　　3.2天線(xiàn)座架結構設計與優(yōu)化

　　天線(xiàn)座架采用典型的方位-俯仰形式,結構緊湊,受力情況合理,調整方便;設計選定承載能力強、剛度好、重量輕、結構緊湊的轉臺式結構;因而從整體幾何尺寸的優(yōu)化滿(mǎn)足了最小安裝空間的要求。俯仰機構的轉動(dòng)支撐采用了圓錐滾子軸承,可同時(shí)承受徑向力和軸向力,以最輕質(zhì)最緊湊的結構滿(mǎn)足天線(xiàn)支撐的需要。關(guān)鍵件俯仰支臂用厚鋁板加工而成,其主要受力部位為軸承孔及與方位轉盤(pán)的連接面,因此必須在保持結構強度要求的前提下,對支臂的非承力部分進(jìn)行減重優(yōu)化設計,具體做法如下:整體按照最小幾何尺寸布置;保留軸承孔周邊最小結構尺寸;與方位轉盤(pán)、驅動(dòng)、軸角裝置的連接面相應保留足夠厚度;保留一側面的相對完整,另一面完全成空腔結構;增加與軸承孔的兩道同心加強環(huán)筋,并根據此零件結構力學(xué)特性將其布置在最優(yōu)強度位置。此外,根據以往工程設計經(jīng)驗,俯仰支臂與方位機構的的連接根部和俯仰傳動(dòng)鏈末級兩處通常是整個(gè)座架結構的最薄弱環(huán)節,因此在這兩點(diǎn)處預先進(jìn)行了局部二次加強,加厚并盡可能圓滑支臂的連接根部,其優(yōu)化過(guò)程如圖2所示。

　　方位機構的核心傳動(dòng)部件轉盤(pán)軸承,優(yōu)選了應用廣泛的帶外齒的四點(diǎn)接觸球軸承,使天線(xiàn)座架在保持緊湊的結構和較輕的重量的前提下,能同時(shí)承受較大的軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩和雙向推力載荷,還優(yōu)化了方位總傳動(dòng)比。另一重要部件滑環(huán),采用具有超長(cháng)壽命、免維護、無(wú)需潤滑、外形緊湊的空心軸多路滑環(huán)。方位運動(dòng)的另一核心部件方位轉盤(pán)同樣用厚板材加工而成,負擔著(zhù)天線(xiàn)和俯仰支撐的重量,并要具備足夠的剛度,其優(yōu)化思路過(guò)程與俯仰支臂相似,也包括軸承結構保留、連接面強化、空腔化減重及同心加強環(huán)筋的布置,其優(yōu)化過(guò)程如圖3所示。方位驅動(dòng)和俯仰驅動(dòng)均選用輕質(zhì)、緊湊、高輸出扭矩的直流減速電機,末級增加間隙調整裝置,可調節傳動(dòng)回程間隙。將經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計的結構模型再由力學(xué)仿真進(jìn)行分析驗算。

　　4天線(xiàn)結構的力學(xué)分析

　　由于天線(xiàn)的質(zhì)量分布很復雜,很難用解析的方法得到其解析解,因此采用專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進(jìn)行力學(xué)分析和仿真。

　　4.1有限元模型的建立

　　天線(xiàn)整體結構的有限元模型包括反射體、座架結構、俯仰齒輪及其連接支撐結構、方位轉動(dòng)機構等。為降低軟件的計算量和復雜度,先對天線(xiàn)整體結構進(jìn)行簡(jiǎn)化,去掉冗余節點(diǎn),再采用MSC.PATRAN軟件單獨對其組成零件劃分網(wǎng)格,最后將劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行組裝。采用了映射網(wǎng)格劃分方法,面上網(wǎng)格全部為四邊形,體則全部為六面體,這種劃分能夠更準確地描述天線(xiàn)座架結構的應力和位移情況[3]。模型的約束條件如下:天線(xiàn)座架的2個(gè)俯仰軸系各有一點(diǎn)的3個(gè)轉角自由度釋放,方位軸系釋放繞垂直軸轉角自由度及垂直方向位移自由度,約束其余4個(gè)自由度。模型的材料屬性如下:天線(xiàn)座架的各軸、軸承、齒輪定義屬性為鋼40Cr,而其他零件定義屬性為硬鋁2A12-T4。建立的天線(xiàn)結構有限元模型如圖4所示。

　　4.2模態(tài)分析

　　天線(xiàn)座架是一個(gè)復雜的彈性系統,如果其結構固有頻率與伺服帶寬靠近甚至落入伺服帶寬之內,各種伺服噪聲就會(huì )激發(fā)系統發(fā)生諧振,造成伺服系統不穩定,無(wú)法工作,甚至使結構破壞。為保證伺服系統的穩定性,并有足夠的穩定裕度,通常要求結構固有頻率高于伺服帶寬3~5倍[4]。通過(guò)計算得到天線(xiàn)結構模型的固有頻率,在第1、2、3、4階模態(tài)下,其值分別為28.7Hz、29.2Hz、51.4Hz、60.8Hz,而本天線(xiàn)伺服系統的帶寬為2.7Hz左右,可見(jiàn)固有頻率遠大于伺服系統的帶寬,因此,天線(xiàn)的伺服系統擁有足夠的穩定裕度。

　　4.3沖擊振動(dòng)分析

　　依據實(shí)際環(huán)境使用要求,沖擊環(huán)境條件為:采用半正弦脈沖,峰值加速度15g,脈沖寬度11ms,3個(gè)互相垂直軸,6個(gè)軸向施加。對模型施加沖擊載荷并進(jìn)行有限元分析,得到了如下分析結果:最大應力出現在z軸(圖5),可以看出最大應力處位于俯仰支臂的連接根部位置,最大應力值為109MPa,小于材料的屈服極限σ0.2=275MPa。所以,在給定的沖擊載荷條件下,結構滿(mǎn)足強度要求。振動(dòng)條件見(jiàn)圖6振動(dòng)譜,其中額外迭加的4處定頻振動(dòng)峰值依次為1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。對模型施加振動(dòng)載荷并進(jìn)行有限元分析,得到了如下分析結果:最大應力出現在y軸(圖7),同樣位于俯仰支臂的連接根部位置,其高斯分布規律的應力3σ值為178MPa,小于材料的屈服極限值σ0.2=275MPa。所以,在給定的隨機振動(dòng)條件下,結構滿(mǎn)足強度要求。

　　4.4實(shí)驗結果驗證

　　按照要求對完成的設備進(jìn)行沖擊振動(dòng)實(shí)驗,從結果來(lái)看:主結構件經(jīng)優(yōu)化過(guò)的關(guān)鍵部位未出現以往相似工程中出現的剛度、強度不足的問(wèn)題;改用輕質(zhì)材料或采取減重措施的零部件受力情況與分析結果基本一致,均能滿(mǎn)足設計要求;天線(xiàn)整體頻響特性較好,在功能實(shí)驗全程中運行正常,能夠滿(mǎn)足跟蹤要求。

　　5結論

　　在0.45m機載天線(xiàn)的設計中,對載機的工作模式和環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行了較為深入的研究,找出了結構設計過(guò)程中需要增強或優(yōu)化的多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),驗證了天線(xiàn)結構的力學(xué)性能對伺服系統的重要性。在天線(xiàn)結構的設計與優(yōu)化過(guò)程中,采用專(zhuān)業(yè)軟件較好地解決了天線(xiàn)結構尺寸重量強度的優(yōu)化設計、載機環(huán)境適應性等主要問(wèn)題。天線(xiàn)系統精度較高,結構性能良好,從實(shí)際飛行過(guò)程中的具體通信效果來(lái)看,電氣、伺服、結構等各項性能指標均完全滿(mǎn)足系統要求。

　　由于國內機載衛星通信應用尚處于初步階段,0.45m機載天線(xiàn)的研究結果對類(lèi)似的機載雷達/通信天線(xiàn)的研發(fā)可以提供相應的技術(shù)參考和借鑒。需要指出的是,各種載機平臺擁有各自不同的特性,對天線(xiàn)結構的要求也相應有所不同,建議今后對不同的載機平臺,應進(jìn)一步增加針對性的設計工作。

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