一种天线支架的结构设计及有限元分析.docxVIP

摘?要：

结合某型接收天线使用要求，设计了一型天线支架，并对其进行有限元分析。分析在12级风作用下天线支架的应力和变形，确定了具体的设计参数，实现了结构安全可靠和轻量化。所提方法适用于天线支架的静力学分析问题，可为同类型设计提供参考。

关键词：

天线支架；结构设计；有限元分析

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引言

某型接收天线，安装在沿海地区及岛礁的台站中，台站常年无人值守，安装架设仅由两人完成。此类使用环境对天线支架的设计提出了一定要求，既要保障天线性能，又要满足安全性、可靠性、运输性等要求。结构过于轻薄会被强风破坏，过于厚重会导致成本增加且安装困难，因此设计结构合理的天线支架非常重要。

目前，一些学者围绕此类结构设计、风载分析问题开展了大量工作。文献[1]建立了某型雷达天线的有限元分析模型，通过强度分析等方法实现了对天线结构设计、生产与决策的指导。仿真了天线支架在不同结构形式、材料和厚度条件下的应力和变形，最终确定了天线支架具体的设计路线。设计了三种不同结构形式的全向天线支架，并对其进行模态分析、随机振动分析，根据分析结果获得了最优的结构形式。

本文设计了一型天线支架，并使用有限元分析软件，仿真模拟在12级风作用下的应力和变形。依据仿真结果，确定了相关设计参数。

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技术要求

该型天线为固定站使用，应满足下列技术指标及环境要求：

（1）天线支架具有足够的强度和刚度，为电路单元的连接和固定提供安全可靠的支撑。12级风时（风速35m/s）要求雷达天线不能被破坏。

（2）设备舱为19in（0.48m）标准上架式机箱，可实现室内外通用。

（3）天线支架重量不超过35kg。

（4）设备露天放置，满足防盐雾要求。

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结构设计

2.1??设计方案

天线总高约1500mm，整体结构由天线支架、设备舱、遮阳罩、天线罩（内含接收天线）、GNSS天线等组成。天线罩固定在天线支架顶端，GNSS天线和设备舱布置在支架两侧，结构如图1所示。

天线支架主体由316L不锈钢管、316L不锈钢板焊接而成。主支架长1300mm，主支架底部与底盘相连，附带4个三角形斜撑。底盘开孔与混凝土基座预埋螺栓相对应。支架顶部的法兰盘采用类似结构，与主支架焊接为一体，开孔与天线托盘对应。结构如图2所示。

在主支架的两侧面焊有两处不锈钢板法兰盘，侧支架、设备舱通过对应螺栓与法兰盘连接。侧支架由外径51mm的316L不锈钢管弯折而成，GNSS天线通过螺栓连接固定在其顶端。

2.2??材料选择及表面处理工艺

选用耐腐蚀材料是抗盐雾的最有效方法之一。为防止盐雾环境造成设备表面出现锈蚀，在天线支架、机箱等材料上选择316L不锈钢，在天线罩等材料上选择用玻璃钢，均具有良好的抗盐雾腐蚀性。

316L不锈钢是含钼元素奥氏体不锈钢，与铝合金、304不锈钢等材料相比，具有更好的抗化学腐蚀性，可以耐硫酸、磷酸等强酸腐蚀，在海水环境中也可表现出很好的耐腐蚀性能，因此广泛应用于船只、沿海建筑物及设备；并且316L具备优良的焊接性，适合在此类天线支架中使用。

天线支架使用的316L不锈钢材料均采用表面钝化工艺。表面钝化是指金属经强氧化剂或电化学方法氧化处理，使表面变为不活泼态即钝态的过程，是使金属表面转化为不易被氧化的状态，从而延缓金属的腐蚀速度的方法。通过钝化，可以有效提高不锈钢表面的耐腐蚀性能，可提高抗盐雾性能10～20倍甚至更高。

同时，天线支架整体喷漆。在设备外表面均匀喷涂油漆，采用“底漆+中间层+面漆”的多层喷漆工艺，形成一定厚度的漆膜，隔绝水分子、盐雾分子向零件表面的渗透和腐蚀，达到隔绝盐雾的作用，进一步增强设备抗盐雾性。

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有限元分析

3.1??概况

为实现天线支架强度高、重量轻的目标，在保证整体结构抗风能力的前提下，要求钢管的壁厚尽可能薄，因此需要分析天线支架结构在12级风载作用下的静力学性能。

当设备受到风载荷时，会在主支架与斜撑的交接处产生应力集中，为防止被破坏，主支架需要足够的壁厚，壁厚又决定了天线支架的总重量，因此通过有限元分析合理选择主支架壁厚尤为重要。

为保证接插件安装空间，主支架内径需大于100mm。选取外径114mm的316L不锈钢管，壁厚规格选取最薄的3mm，此时天线支架总重量31kg，满足设计要求。

3.2??风载计算

设备使用时会受到来自不同方向的风载影响，天线支架会出现弯曲和扭转两种形态，以上两种形态都会影响天线支架的强度。因此在仿真分析时，要考虑不同方向风作用下的影响。

在此，引入两种风载环境进行分析，一种是对支架底部弯矩最大的纵向风，另一种是对支架底部扭矩最大的横向风。风向示意图如图3所示。

有关风载论述和研究的文献[6-11]较多，对于不同的研究问题，研究人员提出了多种可计算风载的方法。

根据规定，作用在结构单元面积上的风荷载应按下式