蒋维旭，党涛，蒲晓龙，伍举，葛源坤
车载天线安装平板的结构强度分析及拓扑优化
蒋维旭，党涛，蒲晓龙，伍举，葛源坤
（四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000）
利用流体仿真软件计算天线表面所受风载荷，再将风载荷耦合在天线结构模型上，完成天线的结构强度分析。仿真结果表明天线安装平板强度富余量非常大，可合理优化安装平板结构，以改善安装平板的强度重量比。仿真计算安装平板优化前后的应力、变形、应变及重量，对比分析表明优化后的结构，重量减少68.3%，强度几乎没有变化，满足安装平板的使用要求。
天线安装平板；流固耦合；拓扑优化
天线在通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗等领域有广泛的应用，凡是利用电磁波来传递信息的都离不开天线。天线的形状多种多样，常用的是各种线天线和面天线以及它们的组合和阵列[1]。风载荷是天线阵面的主要载荷，考核天线在风载作用下的变形对于天线结构设计尤为重要[2-3]。风载荷可以参照《建筑结构荷载规范》的理论公式进行粗略推算，也可以通过仿真计算软件进行仿真计算[4-5]。对天线主要承力结构需要进行合理设计，以达到重量轻、强度高的最优结构形式。
结构拓扑优化是在工程结构设计的初始阶段为设计者提供一个优化概念模型，使结构在布局形式上采用最优方案，已经在汽车、精密加工设备等领域广泛应用[6-7]。主要思想是把寻求结构的最优拓扑问题转化为给定区域内寻求材料的最佳分布问题，探讨结构构件的相互连结拓扑形式，使结构能在满足给定的载荷及约束下达到某种指标最优解[8]。常见的拓扑优化方法主要有均匀法、变厚度法和变密度法，其中变密度法是目前较流行的力学建模方式，与其它方法相比，它更能反映拓扑优化的本质[9-10]。
1 天线结构
天线单元需要按照一定的单元间距进行阵列排布。本文所研究的车载阵列天线的天线单元都安装在安装平板上，雷达后端数据收发、信号处理等设备也安装在安装平板上。所以安装平板是天线的主要承力结构件，不仅关系着天线的各项指标能否实现、还关系着天线在恶劣环境中能否正常工作。天线是安装在改装越野车上，会在高速移动下迎风工作，天线工作时整个阵列平面仰15°，即与水平面呈75°夹角。重量太重，越野车的机动性变差，强度太弱，天线无法正常工作，影响天线功能，所以需要综合考虑天线安装平板的重量和强度，以保证天线正常工作。车载阵列天线结构如图1所示。
图1 车载阵列天线结构图
2 流体仿真分析
本文选用Fluent对整个阵列天线工作时的风载荷计算，以便为结构分析和优化设计提供数据支持。依据风洞试验原型，通过Fluent建立运输车载高速行驶的数值仿真模型，如图2所示。整个模型左侧端面为气流入口，气流速度为运输车行驶速度。模型右侧端面为气流出口，设定压强为0 Pa。整个模型的四个外表面设定为墙面，天线外表面设定为墙面。求解后查看天线外表面的压强分布，如图3所示。
图2 数值仿真模型
图3 天线外表面压力分布图
3 静力学分析
在天线静强度分析中，为缩减计算规模、提高计算效率，将运输车的模型删除，只计算天线的强度和变形。天线在高速移动环境下工作，主要受风载荷和自重。将流体分析中天线外表面所受的压力通过流固耦合加载到天线的外表面上即流体和结构的耦合面，再对整个模型添加惯性载荷，在天线安装平板的8个安装孔位置施加固定约束。完成天线静强度分析的载荷和约束设置后直接计算求解。天线的最大应力是21.5 MPa，发生在安装平板的安装孔周边，如图4所示。安装平板现采用铝合金材料进行加工，从分析结果可知天线安装平板的最大应力远小于铝合金的屈服强度150 MPa，其强度余量非常大，可合理优化安装平板的结构形式，以达到轻量化设计的目的。
4 结构拓扑优化设计
本文采用ANSYS WorkBench的Topology Optimization进行拓扑优化，流程如图5所示。
图4 天线整体应力分布图
图5 拓扑优化流程图
为缩减计算规模、提高计算效率，将天线安装板模型从静强度分析中单独提取出来进行优化设计，将天线单元、雷达后端数据收发、信号处理等设备的重量转换成外载荷（FORCE）施加在安装平板上。以安装板的最大应力≤70 MPa、最大变形≤0.5 mm为约束函数，以最小柔顺度、重量优化70%为目标函数，进行拓扑优化。经37次迭代优化后结果收敛，优化后的结构形式如图6所示。拓扑优化后的结构形式制造加工工艺性较差，不能直接工程化应用，需将优化后的结构形式转换为符合制造加工的结构形式，转换后如图7所示。
对优化后的结构形式进行静力学分析和模态分析，得到优化前后静力学分析的最大应力、最大变形和前六阶模态频率，其结果如表1、图8～图10所示。
5 结论
车载阵列天线安装平板是确保天线能够正常工作、实现天线功能的关键零件之一，本文对车载阵列天线的安装平板进行结构拓扑设计，对比优化前后的结构形式的最大应力、最大变形、最大应变和模态频率。优化后的重量比优化前少113.3 kg，减少了68.3%，优化前后的最大应力和最大应变几乎一致，均位于安装平板的固定安装孔周边。拓扑优化前后的模态频率几乎一致，所以安装平板的结构强度和刚度几乎没有改变。优化前后的最大变形都位于平板长度方向的两端，优化后两端的变形量增大，但满足设计需求，不影响天线正常使用。对比分析结果表明：结构拓扑优化后的结构形式提高了安装平板的强度重量比，同时结构强度和刚度没有下降，满足天线的使用要求。
表1 优化前后静力学结果及前六阶模态频率对比
图8安装平板优化前后应力图
图10 优化前后应变图
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The Structural Strength Analysis and Topology Optimization of Vehicular Antenna Mounting Plate
JIANG Weixu，DANG Tao，PU Xiaolong，WU Ju，GE Yuankun
(Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.,Ltd., Mianyang 621000, China )
The wind load on the antenna surface is calculated by using fluid simulation software, and the wind load is coupled to the antenna structure model to complete the structural strength analysis of the antenna. The simulation results show that the strength allowance of the antenna mounting plate is very large. The plate structure can be rationally optimized to improve the weight intensity ratio. The stress, deformation, strain and weight of the mounting plate and optimized mounting plate are calculated respectively. The comparative analysis shows that the weight of optimized structure is reduced by 68.3%, and the strength is almost unchanged. The optimized structure meets the requirements of the mounting plate.
antenna mounting plate；fluid structure interaction；topological optimization
U463.67+3
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.016
1006－0316 (2018) 05－0060－04
2017－09－28
蒋维旭（1987－），男，四川绵阳人，硕士，工程师，主要从事雷达天线的结构设计、仿真、优化等工作。
