基于ANSYS Workbench的某型平板天线力学分析

0 引 言

天线是卫星通信系统的关键设备，它直接影响卫星信号接收的质量及系统的稳定性。近年来，随着卫星应用事业的蓬勃发展，天线的应用也越来越广泛。天线的设计主要包括电磁(电气)设计(数学模型)和结构设计(物理模型)，后者是前者实现的重要手段。通过对天线结构的分析，可以得出天线结构的强度和刚度等信息，再根据结构与电磁影响关系的经验数据，可以判断天线能否达到数学模型设计的各项指标。

利用ANSYS Workbench分析软件，依据具体工作环境条件要求，在合理简化的前提下对某型平板天线进行了静力学仿真分析，以验证该型天线的结构设计能够满足电气各项指标要求。

1 天线结构组成

某型平板天线主要由立柱、方位转台支撑、俯仰支撑、俯仰丝杠、背架和面板等部分组成[1]，其整体结构如图1所示。

  

图1 某型平板天线结构模型

立柱是整个天线的固定及支撑基础件，也是主要承力部件。立柱由一块底板及圆筒焊接而成，通过4个底板上的通孔可以将立柱安装在地面或其他工作台面之上。方位转台支撑是连接立柱和俯仰支撑的关键部件，方位转台底面圆筒段与立柱的圆筒同轴配合，可实现天线方位120°调整，调整后采用四个螺钉将两者紧固，以锁定天线方位角度。俯仰丝杠是面板的俯仰支撑和调节部件，其一端与背架连接，另一端通过双螺母锁紧机构与方位转台的支撑片连接；背架为薄板镂空加工而成的框架结构，其上焊有三个安装片，分别与俯仰丝杠和方位转台相连接。面板为2 mm厚的铝板，其局部区域根据电气要求进行了镂空处理。天线的俯仰角度实现是通过调整俯仰丝杠，使面板绕着背架安装片与方位转台构成的铰链轴线转动，调整后采用双螺母将俯仰丝杠与方位转台的连接处锁紧。

2 天线指标要求

天线结构设计的目标是在正常工作环境条件下实现天线电气各项指标，在恶劣环境下不破坏。对于该型平板天线要求稳态8级风速不破坏且能正常工作；其工作频段为L频段，根据天线效率的要求，面板的表面误差不得超过波长的1/30～1/60，故其表面均方根误差不应超过2.16。综上可以稳态8级风速下天线各零部件不发生失效且面板的变形均方根误差不大于2.16作为该型平板天线的评价标准[2]。

3 ANSYS Workbench建模

由图12可知，背架的最大应力为26.807 MPa，集中在背架与俯仰丝杠和俯仰支撑的连接位置。根据航天系统安全系数计算公式：

3.1 材料选择

平板天线的面板和背架为铝合金型材，其余支撑结构均为不锈钢，对应ANSYS Workbench中选择Aluminum Alloy和Stainless Steel两种材料，具体材料参数如表1所列。

 

表1 材料参数信息

  

材料名称密度(kg/m3)杨氏模量(Pa)泊松比屈服强度(Pa)AluminumAlloy27707.1e100.332.65e8StainlessSteel77501.93e110.312.05e8

3.2 单元选择及网格划分

由图13可知，方位转台、俯仰支撑及俯仰丝杠的最大应力为64.185 MPa，集中在俯仰丝杠与背架的连接位置。将上述最大应力值及其材料屈服应力值代入公式(1)计算可得：s=1.36>0，可知该部分支撑结构满足强度要求[6]。

  

图2 影响球坐标系 图3 影响球作用区域

由图可知，面板和背架的变形趋势一致，结果合理有效。将面板的变形结果带入公式可求得面板变形的均方根误差值为0.894 526 mm，远小于要求的2.16，可以最终判定面板满足电气设计要求。同时，需要注意到，最大变形出现在面板和背架的边角区域，表明背架的边角区域强度不够，可根据需要增加筋板进行局部加强[5]。

3.3 连接关系处理

模型中的各零部件主要通过螺栓及铰链固定及连接，因此主要采用以下两种方式对模型进行连接关系处理：①对于螺栓连接的两个零部件，在接触面上采用ANSYS Workbench中的Bonded约束类型，并设置作用行为为对称；②对于铰链连接的两个零部件，在接触面上采用ANSYS Workbench中的Frictional约束类型，同样设置作用行为为对称，此外在螺栓孔面增加销轴约束。

1.3 NAFLD的诊断及分组 NAFLD的诊断采用2010年中华医学会肝脏病学分会脂肪肝和酒精性肝病学组制定的《非酒精性脂肪性肝病诊疗指南》的标准[9]，即肝脏影像学(腹部超声)检查显示以下3项中的任意2项或2项以上者诊断为脂肪肝：(1)肝脏近场回声弥漫性增强(明亮肝)，回声强度高于肾脏；(2)肝内管道结构显示不清；(3)肝脏远场回声逐渐衰减，同时排除病毒性、药物性、自身免疫性肝炎与每周饮酒量较大(折合乙醇量为男性大于140 g，女性大于70 g)。根据患者第2次入院时(随访终点)患者是否进展为NAFLD，将其分为进展组和非进展组。

  

图4 平板天线有限元模型

4 载荷及约束

4.1 载 荷

稳态8级风速不破坏且能正常工作，取工作风速(八级风速17.2～20.7 m/s)为20.7 m/s，根据天线工作姿态(面板俯仰角度)及风载荷计算经验公式，计算得出面板承受风载荷为296.69 N，立柱承受风载荷为89.42 N。此外，天线还承受自身重力影响，需要施加重力约束。最终平板天线所受载荷如图5。

4.2 约 束

天线的安装是通过立柱的底座直接固定在地面或者工作台上的，故在立柱底座的底面施加固定支撑约束，如图6所示。

  

图5 平板天线所受载荷示意图 图6 天线立柱底座固定支撑约束

5 计算结果及分析

通过分析计算，得到了平板天线在上述工况下的仿真结果。

5.1 平板天线整体结果分析

如图7～9所示，分别为天线整体的变形结果云图、整体应变结果云图和整体应力结果云图。

  

图7 平板天线整体变形结果云图 图8 平板天线整体应变结果云图

  

图9 平板天线整体应力结果云图

图12～14所示为天线背架、方位转台、俯仰支撑、俯仰丝杠及立柱应力结果云图。

5.2 平板天线主要零部件结果分析

如图10～11所示为天线面板及背架变形结果云图。

  

图10 平板天线面板变形结果云图 图11 平板天线背架变形结果云图

该型平板天线的各组成部分形状较为规则，最终选择全实体单元(Solid)建模。实体单元主要采用六面体单元及四面体单元两种类型，根据结构特点对网格划分设置全局参数“Body Sizing-全局”单元大小8 mm，对于部件可能造成应力集中的部分进行采用影响球约束进行网格细化[4]。

四是推动溱湖生态经济区特色发展。该区域以国家5A级溱湖旅游度假区为核心区域，自然风光秀美、水乡特色鲜明。我们把“特色”贯彻始终，有序推进溱潼城市副中心与姜堰城区联动呼应，依托得天独厚的康养资源，大力发展全域旅游、大健康产业、农产品深加工、生态农业，持续完善基础设施、畅通河网水系，带动周边省级现代农业园区等协同发展，努力建设重要的生态经济区、保护区。

由图中结果可知，云图分布连续均匀，结果合理可靠。而由图7可知，天线整体最大变形为1.769 9 mm，发生在面板的边角位置，该变形量远小于经验数据给出的2.16，因此可初步判定面板能够满足电气指标要求；由图8和图9可知，天线的整体应变和应力都很小，应力最大值仅为64.185 MPa，表明天线整体强度刚度好。

  

图12 平板天线背架应力结果云图

建立的有限元模型与实际结构模型的吻合度决定了有限元分析结果的准确度和可信度。因此，应该通过对天线模型各零部件的结构特点、受力特点、边界条件以及外载荷等因素进行认真细致的分析研究，最终确定合理的单元类型、约束条件、连接关系及载荷分布等，使得仿真结果与实际结果的误差尽可能小[3]。

观察组患者不良反应发生率为16.25%，对照组患者不良反应发生率为12.86%，两组相比，差异无统计学意义，见表4。

 

(1)

式中：s为安全裕度；[σ]许为材料许用应力(可取材料屈服强度)，单位MPa；k为安全系数，此处取1.35。

完成上述操作后，进行网格划分，节点总数为125 176个，单元总数为62 569个，最终建立的有限元模型如图4所示。

将上述背架最大应力值及其材料屈服应力值代入公式(1)计算可得：s=6.32>0，可知背架满足强度要求，可根据需要进行加强。

探索传统村落活态再生之道——浙江黄岩乌岩头古村实践为例 杨贵庆 开 欣 宋代军 等2018/05 49

如图2所示为影响球坐标系，图3所示为影响球作用区域。

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图13 平板天线方位转台、俯仰支撑及俯仰丝杠应力结果云图 图14 平板天线立柱应力结果云图

由图14可知，立柱的最大应力为10.828 MPa，集中在立柱与方位转台的连接位置。将上述最大应力值及其材料屈服应力值代入公式(1)计算可得：s=13.02>0，可知立柱满足强度要求。

6 结 论

(1) 在稳态八级风载荷及重力作用下，该型平板天线能够满足强度和精度要求，满足电气各项指标要求。

(2) 通过对天线零部件的强度分析校核，表明该平板天线结构强度较好，而且部分零部件安全裕度很大；鉴于现今产品经济性及轻量化的要求，可进一步对结构进行优化设计。

参考文献：

[1] 朱钟淦,叶尚辉.天线结构设计[M].北京：国防工业出版社,1980.

[2] 段宝岩.天线结构分析、优化与测量[M].西安：西安电子科技大学出版社,1998.

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[3] 张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].第三版.北京：机械工业出版社, 2010.

[4] 王勖成.有限单元法[M].第一版.北京：清华大学出版社, 2003.

[5] 孔令辉.一种大型反射面天线的有限元建模与优化设计 [D].西安：西安电子科技大学,2013.

“他们需要做的是让叙利亚和真主党停止做这些狗屁事，该结束了。”小布什告诉布莱尔。其中的“他们”被普遍推测为俄罗斯。

[6] 孙 吉, 马 纲.基于ANSYS的微波卫星天线力学分析 [J].机械工程与自动化,2008(2)：28-30.

升温装置采用SX-5-12型箱式电阻炉，炉膛尺寸120 mm×200 mm×300 mm，升温速率10℃/min，最高温度1 200℃。将试块于200℃、400℃、600℃和800℃下恒温1 h。[2]

夜色已至，距离火车站几公里之遥的广垦华府施工现场仍然灯火通明。这里是农场与广东农垦旗下的广垦置业公司合作开发留用地的项目施工现场。