某车载固面可展开天线反射体结构建模与分析_梁峻铭.pdf

第39卷第3期2023年6月Electro-Mechanical Engineering结构设计DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.03.002某车载固面可展开天线反射体结构建模与分析*梁峻铭，刘子涵，张树新（西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室，陕西 西安 710071）摘要：某车载6.3 m口径固面可展开天线反射体由瓜瓣面板、背架、展开机构、底座和固定面支撑梁组成。根据不同结构与可展开机构部件的特点，建立了天线反射体有限元模型，开展了模态分析、自重载荷力学分析和风力载荷分析。仿真结果有效揭示了天线反射体模态与型面精度的变化情况，指出了可展开特性带来的反射体周向刚度较弱的问题，可为后续的结构设计与机构集成提供指导。关键词：可展开天线反射体；展开机构；有限元建模；面板；结构分析中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：10085300(2023)03000605Structural Modeling and Analysis of a Vehicle-borne SolidDeployable ReflectorLIANG Junming,LIU Zihan,ZHANG Shuxin(Key Laboratory of Electronic Equipment Structure Design of Ministry of Education,Xidian University,Xian 710071,China)Abstract:A 6.3 m vehicle-borne solid deployable reflector consists of gore panels,backup structures,de-ployable mechanisms,a pedestal and supporting beams.According to the different properties of structuralcomponents and deployable mechanisms,the finite element method(FEM)model of the deployable reflector isestablished.The modal analysis,structural analysis with gravity load and wind load analysis are performed.The variations of modal displacement and surface accuracy are revealed by the simulation results.A significantconclusion is obtained that the stiffness along the circumferential direction is not strong due to the introductionof deployable mechanisms,which can provide a guideline for the subsequent structural design and mechanismintegration.Key words:deployable reflector;deployable mechanism;FEM modeling;panel;structural analysis引言车载天线具有机动性高、可随车灵活转移的特点1。随着天线遥测任务的逐渐扩展，对大口径车载天线的需求日益迫切，尤其是可快速布置与收藏的可展开天线，成为大口径车载天线的主要应用对象2。为了兼顾天线的机动性与高增益性能，固面可展开天线成为车载可展开天线的研究热点23。固面可展开天线在星载天线领域的应用最为成熟，通常有太阳花式、DAISY、MEA、SSDA等展开结构形式46。目前，在星载射电天文望远镜上有俄罗斯的Spektr-R可展固面天线和Millimetron可展固面天线78。在地面车载应用环境下，现有车载天线以4.5 m，6.2 m，7.3 m人工拼装天线以及3.7 m，4.5 m人工手动折叠天线等为主2。随着天线口径需求的增大，自动展收的大口径固面天线能够较好地实现机动性与高增益性能，成为研究的关注点。在通常情况下，大口径固面可展开天线采用瓜瓣面板设计思想78，即天线反射面在周向上均匀分成若干子块，形成瓜瓣状的面板，在瓜瓣面板背后安装有保证型面精度的背架结构。为了实现天线自动展开与收拢，天线瓜瓣面板依靠展开机构与中心体相连，进而与天线座保持对应的结构连接，以满足在俯仰与方位方向上的遥测要求。需要工作时，天线瓜瓣面板在驱动元件的作用下逐渐旋转展开；需要运输时，天线瓜瓣面板做反向运动，逐渐收拢，并结合对应的驱动装置，收藏于车厢内。针对固面可展开天线的研究主要以面向空间应*收稿日期：202210136第39卷第3期梁峻铭，等：某车载固面可展开天线反射体结构建模与分析结构设计用为主，对固面可展开天线的展开机构9、结构设计10、运动学特性11、误差12与电特性13开展了相关研究。车载固面天线的研究主要以小口径为主，包括刚强度分析1、结构设计2与创新方案3等。本文以某6.3 m车载固面可展开天线反射体为研究对象，采用同步轮结合摇杆的方案实现天线瓜瓣面板的展开与收拢。针对反射体不同部件的结构特点，建立了结构有限元模型，对反射体在工作状态下的模态、自重载荷力学和风力载荷进行了分析，可为反射体详细结构设计与机构集成提供指导。1反射体结构组成某车载固面可展开天线为标准卡塞格伦双反射面天线，由主反射体、副反射面、撑腿、天线座等组成。主反射体口径为6.3 m，其表面为旋转抛物面结构。考虑到车载应用环境，天线反射体在工作状态下超过了车辆运载要求，需采用可展开结构形式，即工作时天线反射体展开，完成预定的任务，收拢后收藏于车辆内部，进行机动运输。天线主反射体由24块瓜瓣面板、背架、展开机构、底座和固定面支撑梁等组成。瓜瓣面板形成抛物面形状，采用碳纤维铝蜂窝结构材质。每块瓜瓣面板背部均采用具有空间三维结构的桁架结构支撑。中心固定面板下方采用支撑梁固定。中心固定面板与瓜瓣面板均固定在底座上。天线反射体在展开态与收拢态的结构如图1所示。(a)展开态(b)收拢态图 1某车载固面可展开天线反射体结构图与固定式天线相比，车载天线反射体采用可展开机构将天线展开。展开机构主要由同步轮、旋转轴、旋转轴支撑杆、摇杆以及驱动元件组成，这些结构件均安装在底座上。天线反射体的具体展开过程如图2所示。当天线反射体需要展开时，运转驱动元件，驱动元件通过齿轮传动带动同步轮旋转，与同步轮相连的连杆通过万向节与摇杆相连，摇杆与瓜瓣面板的背架固定在一起，在同步轮的带动下，连杆带动摇杆，摇杆带动瓜瓣面板，从而逐步实现天线的展开。当天线需要收拢时，倒转驱动元件，将天线逐步收拢。(a)收拢状态(b)展开中间态(c)完全展开态摇杆支撑杆同步轮连杆齿轮图 2天线反射体展开过程图考虑到反射体瓜瓣面板在展开与收拢过程中采用侧转的方式完成对应的展收动作，瓜瓣面板背部的背架结构不可在运动过程中对相邻面板进行干涉，因此背架采用空间三维桁架结构，形成轮毂较低的空间桁架，如图3所示。图 3瓜瓣面板背架结构图2反射体结构有限元建模在天线反射体有限元建模过程中，需要针对瓜瓣面板、中心固定面板、背架结构、支撑杆/梁、摇杆等结构部件进行对应的单元选择和参数输入。在单元选择上，面板单元采用Shell181壳单元，背架结构、支撑杆/梁、摇杆等结构采用Beam188梁单元，反射体底座、同步轮等结构采用Solid95实体单元。在材料参数设置过程中，考虑到瓜瓣面板的结构组成，瓜瓣面板采用碳纤维复合材料加工而成，面板外壳为碳纤维蒙皮，内部为铝蜂窝夹芯，蜂窝与蒙皮采用高强度的结构胶粘接在一起2。同时，为了更好地实现天线的电性能，提高反射面面板的反射率，对瓜瓣面板的内侧进行金属化处理2。因此，在这种情况下，基于铝蜂窝夹芯结构参数，结合蜂窝结构的正交各向异性的特点，按照式（1）等效出铝蜂窝夹芯结构的物性7结构设计2023年6月参数信息14：Ec,x=43Es(1 3t2l2)t3l3Ec,y=43Es(1 53t2l2)t3l3Gc,xy=435Es(1 125t2l2)t3l3Ec,z=839EstlGc,xz=33GstlGc,yz=233Gstlc=1.54stl(1)式中：Es为夹芯材料的弹性模量；t为蜂窝薄胞壁的厚度（厚胞壁的厚度为2t）；l为胞壁的长度；Ec,x和Ec,y为面内弹性模量；Ec,z为横向剪切弹性模量；Gc,xy为面内剪切弹性模量；Gc,xz和Gc,yz为横向剪切弹性模量；Gs为夹芯材料的剪切模量；s为夹芯材料密度；c为蜂窝夹芯等效密度。详细的推导过程见文献14。在获得铝蜂窝夹芯结构的物性参数信息后，将碳纤维蒙皮参数也引入有限元模型，进而建立瓜瓣面板的有限元模型。瓜瓣面板背部的桁架结构采用高强度的碳纤维材料，反射体底座采用6061铝合金材料，同步轮、支撑杆/梁、摇杆等采用45号钢。3反射体结构分析针对建立的有限元模型，开展结构有限元分析，以此来验证设计方案的可行性。下面分别进行结构模态分析与自重载荷分析。3.1模态分析该天线反射体前6阶固有频率信息见表1，前6阶固有频率对应的模态变形如图4所示。表 1前6阶固有频率Hz阶数固有频率第1阶16.650第2阶16.660第3阶16.730阶数固有频率第4阶16.740第5阶31.107第6阶31.125从固有频率与模态位移云图可以看出，该天线反射体存在以下固有特性：1）由于采用可展开结构形式，天线反射体不再是一个整体，而是由若干瓜瓣组成。在这种情况下，反射体的基频相对固定式天线反射体(a)第1阶(b)第2阶(c)第3阶(d)第4阶(e)第5阶(f)第6阶图 4前6阶模态位移云图而言较低，没有达到20 Hz的固有频率要求。2）可展开结构形式的引入，使得瓜瓣反射体出现了与空间可展开天线相似的固有频率特点，即模态密集现象，如第1、2阶分别为向正交方向的倾斜变形，第3、4阶分别为向正交方向的偶数花瓣变形，第5、6阶分别为向正交方向的奇数花瓣变形。从与固定式反射面天线的对比可以看出，可展开结构的引入，使得瓜瓣之间没有可靠、牢固的结构连接，导致天线反射体周向刚度较弱，出现了模态密集现象，需要在周向增加结构锁定等装置，以提高反射体周向的结构刚度。3.2自重载荷分析使天线反射面处于仰天和指平2种状态，进行自重载荷分析，分别获得该自重载荷下的结构变形。天线反射体瓜瓣应变数据见表2。在仰天工况下，反射体瓜瓣的最大位移为0.155 mm，反射面的均方根误差为0.127 mm；在指平工况下，反射体瓜瓣的最大位移为0.710 mm，反射面均方根误差为0.279 mm。表 2天线反射体瓜瓣应变数据MPa工况X向最大应变Y向最大应变Z向最大应变仰天0.202e30.201e30.260e3指平0.644e30.1136e20.945e3可以看出，在背架结构的支撑下，天线反射面瓜瓣具有较好的结构刚度。因此，所采用的背架结构能够起到支撑的作用。3.3风力载荷分析本文对指平情况下的风力载荷进行了有限元分析。在6级风力的影响下，其面板最大位移和天线最大应变分别见表3和表4。8第39卷第3期梁峻铭，等：某车载固面可展开天线反射体结构建模与分析结构设计表 36级风载下面板Z向位移mm工况最大位移最小位移均方根误差指平0.11331.0132e50.0903表 46级风载下天线应变MPa工况X向最大应变Y向最大应变Z向最大应变指平0.09700.09700.06583.4讨论从模态分析、自重载荷分析和风力载荷分析可知，该方案下的天线反射体瓜瓣面板具有较强的结构刚度，能够在仰天和指平工况下保证较高的型面精度，但展开机构的引入使得反射面相邻瓜瓣之间没有直接的结构连接，在反射面周向上结构