機載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計研究論文
1引言
0.45m衛(wèi)星通信(簡稱衛(wèi)通)天線項目系某型多用途載機首次安裝如此大尺寸、高帶寬的衛(wèi)通天線,國內(nèi)尚無類似產(chǎn)品裝備可參考,并且其使用環(huán)境條件復雜,這些都對天線結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了重大挑戰(zhàn)。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計過程重點考慮了各結(jié)構(gòu)件在載機實際工作環(huán)境下的剛度、強度問題。其中許多關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)件,起著支撐天線、固定通信饋線及執(zhí)行伺服驅(qū)動的作用,同時承擔和隔離載機產(chǎn)生的振動和沖擊,并實現(xiàn)天線的轉(zhuǎn)動、定位和定向。天線結(jié)構(gòu)件的剛度、強度、重量、轉(zhuǎn)動慣量,直接影響到天線系統(tǒng)的精度和可靠性[1]。在天線結(jié)構(gòu)整體設(shè)計階段,采用了ProE三維設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用有限元法利用大型結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真軟件MSC.Patran/Nas-tran對天線結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)力學分析和仿真,加強和優(yōu)化主結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵部位。仿真和實驗結(jié)果以及實際飛行使用效果顯示,天線的結(jié)構(gòu)特性均能滿足技術(shù)指標和使用要求。
2系統(tǒng)和整機要求
根據(jù)系統(tǒng)要求,天線系統(tǒng)在飛行過程中要實現(xiàn)準確地手動/自動跟蹤衛(wèi)星功能,依賴于天線座結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度、強度和傳動精度,以保證整個伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率,提高伺服帶寬,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)和傳動精度。此外,根據(jù)載機實際工作環(huán)境要求,在最大限度減輕載機負擔(即減輕天線重量)的前提下,應(yīng)采取合理布局的設(shè)計思路以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,使天線在使用過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(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化
根據(jù)載機實際情況,在保證性能的前提條件下,要求天線的尺寸和重量到達最小,對此進行了大量的優(yōu)化工作,使得0.45m衛(wèi)通天線外形安裝尺寸(直徑×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天線罩),重量約為50kg,優(yōu)化為700mm×500mm(天線罩),重量約為40kg,如圖1所示。其總體優(yōu)化過程如下:天線的反射體為降低安裝高度,放棄了傳統(tǒng)的拋物面天線,采用了最新研發(fā)成功的低剖面波導陣列天線;座架則仍采用典型的方位-俯仰型結(jié)構(gòu)以保證跟蹤的可靠性;為了減輕重量,除關(guān)鍵傳動部件采用40Cr合金鋼外,其余結(jié)構(gòu)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(shè)備安裝措施,裝入鋼絲螺套以提高螺牙強度;天線與機體安裝平臺間裝有隔振裝置以降低機體振動帶給天線的影響;天線罩為降低重量,在保證抗風強度的前提下,棄用傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布結(jié)構(gòu),采用最新的紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu),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)密封處理后通過安裝孔進入機艙內(nèi)部。按照以往的`工程經(jīng)驗,此類機載通信/雷達天線在類似的環(huán)境和使用要求下,一般應(yīng)超過此重量與尺寸。因此,與以往工程設(shè)計的不同之處之一,即在設(shè)計之初就對各結(jié)構(gòu)件進行了反復的比對和二次優(yōu)化。
3.1天線結(jié)構(gòu)介紹
波導陣列天線的結(jié)構(gòu)尺寸為597mm×300mm×17.5mm,四周切角以減小回轉(zhuǎn)半徑;經(jīng)過減重處理后的重量約8kg,電氣性能與0.45m口徑拋物面天線等效,而高度和厚度則大大低于傳統(tǒng)的拋物面天線。采用這種天線的優(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(wěn)定、功率容量大、剛度和強度好、結(jié)構(gòu)緊湊、厚度薄、相對重量輕、可靠性高等優(yōu)異的電氣和結(jié)構(gòu)性能等。
3.2天線座架結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化
天線座架采用典型的方位-俯仰形式,結(jié)構(gòu)緊湊,受力情況合理,調(diào)整方便;設(shè)計選定承載能力強、剛度好、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)臺式結(jié)構(gòu);因而從整體幾何尺寸的優(yōu)化滿足了最小安裝空間的要求。俯仰機構(gòu)的轉(zhuǎn)動支撐采用了圓錐滾子軸承,可同時承受徑向力和軸向力,以最輕質(zhì)最緊湊的結(jié)構(gòu)滿足天線支撐的需要。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(zhuǎn)盤的連接面,因此必須在保持結(jié)構(gòu)強度要求的前提下,對支臂的非承力部分進行減重優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸;與方位轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動、軸角裝置的連接面相應(yīng)保留足夠厚度;保留一側(cè)面的相對完整,另一面完全成空腔結(jié)構(gòu);增加與軸承孔的兩道同心加強環(huán)筋,并根據(jù)此零件結(jié)構(gòu)力學特性將其布置在最優(yōu)強度位置。此外,根據(jù)以往工程設(shè)計經(jīng)驗,俯仰支臂與方位機構(gòu)的的連接根部和俯仰傳動鏈末級兩處通常是整個座架結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié),因此在這兩點處預先進行了局部二次加強,加厚并盡可能圓滑支臂的連接根部,其優(yōu)化過程如圖2所示。
方位機構(gòu)的核心傳動部件轉(zhuǎn)盤軸承,優(yōu)選了應(yīng)用廣泛的帶外齒的四點接觸球軸承,使天線座架在保持緊湊的結(jié)構(gòu)和較輕的重量的前提下,能同時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)化了方位總傳動比。另一重要部件滑環(huán),采用具有超長壽命、免維護、無需潤滑、外形緊湊的空心軸多路滑環(huán)。方位運動的另一核心部件方位轉(zhuǎn)盤同樣用厚板材加工而成,負擔著天線和俯仰支撐的重量,并要具備足夠的剛度,其優(yōu)化思路過程與俯仰支臂相似,也包括軸承結(jié)構(gòu)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)化過程如圖3所示。方位驅(qū)動和俯仰驅(qū)動均選用輕質(zhì)、緊湊、高輸出扭矩的直流減速電機,末級增加間隙調(diào)整裝置,可調(diào)節(jié)傳動回程間隙。將經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型再由力學仿真進行分析驗算。
4天線結(jié)構(gòu)的力學分析
由于天線的質(zhì)量分布很復雜,很難用解析的方法得到其解析解,因此采用專業(yè)有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進行力學分析和仿真。
4.1有限元模型的建立
天線整體結(jié)構(gòu)的有限元模型包括反射體、座架結(jié)構(gòu)、俯仰齒輪及其連接支撐結(jié)構(gòu)、方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)等。為降低軟件的計算量和復雜度,先對天線整體結(jié)構(gòu)進行簡化,去掉冗余節(jié)點,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座架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移情況[3]。模型的約束條件如下:天線座架的2個俯仰軸系各有一點的3個轉(zhuǎn)角自由度釋放,方位軸系釋放繞垂直軸轉(zhuǎn)角自由度及垂直方向位移自由度,約束其余4個自由度。模型的材料屬性如下:天線座架的各軸、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。建立的天線結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。
4.2模態(tài)分析
天線座架是一個復雜的彈性系統(tǒng),如果其結(jié)構(gòu)固有頻率與伺服帶寬靠近甚至落入伺服帶寬之內(nèi),各種伺服噪聲就會激發(fā)系統(tǒng)發(fā)生諧振,造成伺服系統(tǒng)不穩(wěn)定,無法工作,甚至使結(jié)構(gòu)破壞。為保證伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并有足夠的穩(wěn)定裕度,通常要求結(jié)構(gòu)固有頻率高于伺服帶寬3~5倍[4]。通過計算得到天線結(jié)構(gòu)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,而本天線伺服系統(tǒng)的帶寬為2.7Hz左右,可見固有頻率遠大于伺服系統(tǒng)的帶寬,因此,天線的伺服系統(tǒng)擁有足夠的穩(wěn)定裕度。
4.3沖擊振動分析
依據(jù)實際環(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個互相垂直軸,6個軸向施加。對模型施加沖擊載荷并進行有限元分析,得到了如下分析結(jié)果:最大應(yīng)力出現(xiàn)在z軸(圖5),可以看出最大應(yīng)力處位于俯仰支臂的連接根部位置,最大應(yīng)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(jié)構(gòu)滿足強度要求。振動條件見圖6振動譜,其中額外迭加的4處定頻振動峰值依次為1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。對模型施加振動載荷并進行有限元分析,得到了如下分析結(jié)果:最大應(yīng)力出現(xiàn)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(guī)律的應(yīng)力3σ值為178MPa,小于材料的屈服極限值σ0.2=275MPa。所以,在給定的隨機振動條件下,結(jié)構(gòu)滿足強度要求。
4.4實驗結(jié)果驗證
按照要求對完成的設(shè)備進行沖擊振動實驗,從結(jié)果來看:主結(jié)構(gòu)件經(jīng)優(yōu)化過的關(guān)鍵部位未出現(xiàn)以往相似工程中出現(xiàn)的剛度、強度不足的問題;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(jié)果基本一致,均能滿足設(shè)計要求;天線整體頻響特性較好,在功能實驗全程中運行正常,能夠滿足跟蹤要求。
5結(jié)論
在0.45m機載天線的設(shè)計中,對載機的工作模式和環(huán)境特點進行了較為深入的研究,找出了結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要增強或優(yōu)化的多個關(guān)鍵點,驗證了天線結(jié)構(gòu)的力學性能對伺服系統(tǒng)的重要性。在天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化過程中,采用專業(yè)軟件較好地解決了天線結(jié)構(gòu)尺寸重量強度的優(yōu)化設(shè)計、載機環(huán)境適應(yīng)性等主要問題。天線系統(tǒng)精度較高,結(jié)構(gòu)性能良好,從實際飛行過程中的具體通信效果來看,電氣、伺服、結(jié)構(gòu)等各項性能指標均完全滿足系統(tǒng)要求。
由于國內(nèi)機載衛(wèi)星通信應(yīng)用尚處于初步階段,0.45m機載天線的研究結(jié)果對類似的機載雷達/通信天線的研發(fā)可以提供相應(yīng)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,對天線結(jié)構(gòu)的要求也相應(yīng)有所不同,建議今后對不同的載機平臺,應(yīng)進一步增加針對性的設(shè)計工作。
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