（机械工程专业论文）大型天线罩的结构工程研究.pdf

摘要 大型球形雷达天线罩工程研究的主要任务是确定天线罩结构的球面划分原理 并据此及电性能设计方法完成初步的结构设计方案，再进行整体结构的载荷分析 和结构优化，最终保证受保护的雷达天线满足环境要求。通过三维c a d 软件建 模技术对天线罩结构的球面划分进行参数化设计，将会大大提高设计者在天线罩 的球面划分设计阶段的工作效率。 本文首先将目前国内外的各种球形天线罩，按照天线罩的结构形式进行分类， 并在此基础上对各种天线罩结构原理、优缺点进行了分析说明，为构建大型球形 天线罩做必要的准备。本文立足于国内外各种的大型球形天线罩结构原理和工程 实际经验，以作者参与这一课题为基础，对大型球形天线罩结构和制造安装及工 艺成型技术，进行了较为深入的研究和分析。具体研究的内容有： 1 、通过在p r o e 三维软件环境下，对球面空间桁架天线罩的划分技术进行 了研究，并确立数字化模型。 2 、在自重和环境载荷作用下，对大型金属和介质桁架天线罩进行静力学分析， 验证天线罩的设计刚度和强度。 3 、重点对介质空间桁架天线罩的材料、制造工艺、及工程安装进行必要的分 析阐述。 关键词：大型球面天线罩金属桁架划分介质罩变形和静力分析 天线罩工艺 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo fs t u d yo fl a r g e s c a l es p h e r i c a lr a d o m ee n g i n e e r i n gi st od e t e r m i n e t h ed i v i d i n gp r i n c i p l eo fs p h e r i c a lr a d o m ea n dt og i v eap r e l i m i n a r yb l u e p r i n to f s t r u c t u r ed e s i g n l o a da n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na r ec a r r i e do u ts u b s e q u e n t l y t om a k es u r e 也a tr a d a ra n t e n n am e e ta 1 1t h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s t h ee f f i c i e n c yo f d e s i g n e r i nt h e s t a g eo fd i v i d i n gs p h e r i c a lr a d o m ew i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y ，i f p a r a m e t r i cd e s i g no fd i v i d i n go fr a d o m ei sr e a l i z e db yu s i n go f3 dc a dm o d e l i n g t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r e ，av a r i e t yo fd o m e s t i ca n df o r e i g ns p h e r i c a lr a d o m ei s c l a s s i f i e di nt h i sp a p e rf i r s t l y b a s e do nt h ec l a s s i f i c a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fv a r i o u sl a r g e s p h e r i c a lr a d o m es t r u c t u r ea n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si sa n a l y s e da n d e x p l a i n e d ，w h i mw i l lm a k ean e c e s s a r yp r e p a r a t i o nf o rt h eb u i l d i n go fl a r g es p h e r i c a l r a d o m e o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r ep r i n c i p l eo fv a r i o u sl a r g es p h e r i c a lr a d o m ea n d p r a c t i c a le x p e r i n c e ，t h es t u d ya n da n a l y s i si sc a r r i e do na b o u ti t sm a n u f a c t u r ea n d i n s t a l l a t i o na n dt h et e c e n o l o g yo ff o r m i n gp r o c e s s t h ed e t a i l e dc o n t e n t si si n v o l v e di n u n d e r ： 1 t h ed i v i d i n gt e c e n o l o g yo fl a r g es p h e r i c a lr a d o m ei ss t u d i e db yu s eo f3 d s o f h a r ep r o ea n di t sd i 百t a lm o d e l i n gi sb u i l t 2 s t a t i c sa n a l y s i so fl a r g es p a c ef r a m er a d o m ei sc a r r i e do nu n d e rw e i g h ta n dw i n d l o a da n di t sr i g i d i t ya n di n t e n s i t yi sv e r i f i e d 3 t h em a t e r i a lo fl a r g ed i e l e c t i cr a d o m ea n di t sm a n u f a c t u r a lp r o c e s sa n dt h e i i l s t a l l a t i o na r ea n a l y s e da n de x p l a i n e d k e y w o r d ：l a r g e - s c a l es p h e r i c a lr a d o m e ，t h em e t a ls p a c ef r a m e ( m s l i i ) ， t h ed i e l e c t r i cs p a c ef r a m e ( d s dr a d o m e ，d i v i s i o n ， f o r c ea n dd i s p a l c e m e n to fr a d o m e , d i e l e c t r i cs a n d w i c hm a n u f a c t u r e 。 士= l明明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期之丝2 ：! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期兰：翌2 ：! 里：星 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 天线罩是为保护天线免受自然环境影响的外壳。用于雷达天线的罩称为雷达 罩，而供彩电中心、微波塔楼、保护通信天线及微波设备电磁窗口用的罩称为天 线罩，设计高性能的天线罩除了具有保护性、传导性、可靠性、隐蔽性和装饰性 等功能外，从经济效益上考虑，还有保护天线系统免受强风、酸雨、大雪、冰雹 和烈日等破坏性影响，延长整个系统各部分的使用寿命、降低寿命成本和操作成 本、简化设计、降低维修成本、保证天线表面和位置的精确度、创造良好的工作 环境等方面的优点。但天线罩也将对理想的电磁辐射产生影响，使理想的天线性 能稍有降低。天线罩设计是结构设计与电性能设计结合的复杂设计。1 近几十年来，经济发达国家根据雷达、天线等无线通信设备的功能用途，至 今己研制了形形色色用途各异的天线罩，在航空航天、气象、军事、通讯领域发 挥着巨大的经济和社会效益，满足了高精度、高稳定性、高可靠性雷达设备对使 用环境的特殊要求。大型天线罩工程涉及材料科学、电子、机械、计算机软件仿 真分析、工程施工技术等，也是一个国家综合科技水平的标志。特别是近二十年 发达国家在天线罩的技术已经取得了长足的进步。与发达国家相比由于材料等基 础科学的研究起步较晚，使得我国在天线罩的结构工程化研究上还有一定差距。 随着我国航空、气象及军事技术的进步和军事形势的发展，进行远程精密跟 踪测量雷达等高精度雷达和高增益天线的研究与制造已成为紧迫的任务，而这些 天线系统口径大、精度要求高，特殊地理位置的自然环境对设备的影响较大，配 备大型天线罩成为这些雷达、天线必不可少的要求，对大型天线罩的工程应用需 求变得越来越迫切。“九五”、“十五 以来我国在大型天线罩工程化方面与设备同 时加大了研究力度。大型天线罩根据天线的用途在结构上属于空间桁架结构，使 用比较普遍的大型空间珩架球形雷达天线罩有两种类型，一种是金属桁架结构天 线罩，另一种是介质桁架天线罩。目前中电集团1 4 所研制的5 6 米精密跟踪测量 雷达罩就属于金属桁架结构天线罩，该项目属于8 6 3 任务“十五”至“十一五” 期间的任务。作者所在单位是一家专门研制生产大型测量雷达和通信天线的专业 研究所，对小型天线罩的设计制造有_ 定的工程实践基础，但在大型天线罩领域 还有待进一步研究。项目的研究目标是：针对所在单位的天线，借鉴国内外成功 的大型天线罩结构设计原理进行合理的天线罩结构设计，以大型天线罩的工程化 研究为重点的研究内容。 1 2 天线罩结构形式的发展过程及其国内外研究现状 天线罩是在近2 0 年内随着军事、航空、气象、深空探测等通讯天线设备发展 2大型天线罩的结构工程研究 及其对自然环境要求的需要而诞生的一种新型空间壳体结构。为了满足不断丰富 和完善其保护系统的特殊通讯功能的需要，以及材料基础学科的发展，其结构形 式的发展也经历了由简单到复杂的发展过程。其间，各国在该领域也都取得了令 人瞩目的理论突破和技术成果。 1 2 1 天线罩结构形式的发展过程 天线罩结构形式的发展总体上经历了如下发展过程：1 9 4 0 年前后，随着天线口 径尺寸的加大，雷达工作波长的变短，精度要求越来越高，于是用于保护天线的 天线罩就应运而生，较早期的天线罩是飞机上用的小型流线型罩，结构简单，其 后出现了大型地面天线罩，如1 9 4 6 年，美国康奈尔( c o m d l ) 航空实验室进行了 充气天线罩的研制，生产了1 6 8 m 直径的充气天线罩原理样机，并于1 9 4 8 年安装 在美国纽约西部的港口布法罗( b u f f 砒o ) ，1 9 5 5 年就有数百个这样的天线罩为美国 陆军服务。为了克服充气天线罩结构上的不足，使之适应更恶劣的环境，1 9 5 2 年 美国开始研制刚性天线罩。1 9 5 4 年，成功研制了直径9 5 m 的3 4 截球体增强塑料 刚性天线罩。1 9 5 5 年美国在北极安装了直径1 6 8 m 的刚性天线罩，并于1 9 5 6 年完 成了9 5 m 直径金属桁架天线罩的模拟电信实验，使刚性天线罩的发展向前跨了一 大步。当时最大的天线罩“赫斯台克”( h a y s t a c k ) 就采用了金属空间骨架的结构 形式，直径达到了4 5 7 5 m 。到了7 0 8 0 年代金属空间骨架罩成为主流天线罩，用 于通讯天线、雷达和设电天文望远镜。近十几年来，随着新材料的不断涌现，工 艺水平的提高，同时高性能雷达对天线罩的要求不断提高，使天线罩的研制开始 向高性能方向不断努力，各种高性能的大型复合材料介质天线罩也应运而生。美 国将椭球形天线罩与相位校正透镜相结合，用于机载预警雷达，使天线罩的设计 达到了高峰比3 1 。 1 2 2 国外天线大型天线罩研究现状 在大型天线罩结构研究方面，美国起步较早。上世纪7 0 年代，美国在大型金 属空间桁架天线罩( m s f ) 在概念设计、理论分析方法、具体应用技术开发等方面进 行了深入系统的研究，最终成功开发出了直径为4 7 7 5 米的大型天线罩。8 0 9 0 年代 e s s c o 品牌的此类天线罩技术上逐渐成熟。美国通信天线公司( a f c ) 研制的大 型介质天线罩也大量的用于军事、航空、气象、天文观测等领域。目前各种高性 能的大型空间薄壁、金属空间骨架和各类介质夹层天线罩成为各国研究的重点。 在结构强度分析方面，主要根据天线罩的材料特性，利用先进的有限元软件对大 型桁架结构进行各种载荷组合下的强度分析和优化，使这些地面截球天线罩的环 境设计温度可满足5 5 + 7 0 。c ，抗风设计能力都达到了6 2 5 7 5 m s ，甚至更高。为了 得到更高的电性能要求，减少电损耗，复合材料成型工艺研究方面，利用复合材 料液体模塑成型技术( l i q u i dc o m p o s i t em o l d i n g ，简称( l c m ) 及新型的真空辅助注射 技术( v a r t m ) ，保证了天线罩材料的介电性能和均匀性要求，使成型的大型曲面 第一章绪论 3 介质复合材料板块的结构特性和电性能特性大大提高。n i p p o n 天线公司( e u ) 2 0 0 4 年成功研制出2 6 1 4 米几乎整体的大型刚性半球夹层天线罩，由于天线罩用于天线 性能测试，对整个罩体的板块型面和边界对接精度要求很高，对接边界采用高精 度的5 坐标数控机床加工成型，使得板块之间镶嵌达到了无缝胶结，整罩无任何 金属连接，这种天线罩的材料和成型工艺成本非常昂贵，但电性能达到非常理想 的效果。美国2 0 0 5 年5 月成功的制造和安装了“海基 x 波段的充气天线罩，天 线罩重1 8 0 0 0 磅( 8 1 6 5 k g ) ，高1 0 3 英尺( 3 1 4 米) ，直径3 6 米，采用高科技整 体复合材料膜制造，抗风能力达到5 8 米秒，国外对大型天线罩的结构、电性能及 介质材料的工程应用方面都有相当的理论和工程积累1 4 1 。 1 2 3 国内大型天线罩研究现状 我国天线罩的研究起步于2 0 世纪5 0 年代，1 9 6 5 年1 9 7 2 年，南京十四所、上 海玻璃钢研究所和上海耀华玻璃钢厂合作，研制出我国目前最大的玻璃钢蜂窝夹 层桁架天线罩，直径达4 4 米。1 9 7 5 后哈尔滨玻璃钢研究所以介质空间桁架薄壁天 线罩和金属空间骨架天线罩为研究方向，上海玻璃钢研究所以介质夹层天线罩为 研究方向，到2 0 世纪末，已生产3 米- - 2 8 米直径的地面截球天线罩2 0 0 多部。近 年来随着我国大型高性能雷达的相继问世，对大型高性能天线罩的需求也十分迫 切，尤其是对天线的低副瓣性能影响较小的大型天线罩，哈玻所相继研制出c 波 段、p l 波段和s 波段的大型高性能天线罩。另外上海之合玻璃钢有限公司、上海 玻璃钢研究所等单位在高性能雷达天线罩方面也取得了一定的成果，成功研制了 l s x 大型宽频段高性能雷达天线罩。这些天线罩大都采用了玻璃钢蜂窝或泡沫夹 层板结构，板块采用准随机、随机分割板块使电性能和结构强度得到了很大提高， 抗风能力达到了6 7 m s ，上海之合玻璃钢有限公司2 0 0 5 年成功的研制了，用于高 增益天线的4 0 米大型介质桁架天线罩。“十五”期间我国对对远程精密跟踪测量 雷达的研制加大了投入，与之配套的大型金属桁架天线罩也进入到工程研制阶段， 中电1 4 所、南京理工大学和相关单位对其进行了较为深入的研究试验，并利用有 限元方法对天线罩结构载荷进行分析，在大型天线罩结构理论研究方面取得了丰 富的成果，此工程现已进入现场施工阶段1 5 1 0 与国外相比，我国大型天线罩的研制在结构工程研究方面已经取得了相当大 的进步，但与天线罩密切相关的优化分析、基础材料方面还有差距，需要完善。 一些用于大型天线罩的高性能的介质基础材料还不能自主生产，基础材料研制和 加工工艺上的差距尤为明显，因此还需要工程科技工作者的不断努力。 1 3 本文所做的主要工作及其目的 作者单位为一家生产大型精密跟踪雷达和天线的研究所，生产的许多大型天 线都配备了大型天线罩，在大型球面天线罩的结构工艺方面有许多需要解决和突 破的关键技术，本文以某研究所正在进行的“大型空间桁架天线罩”工程课题为 4 大型天线罩的结构工程研究 背景，通过大型天线罩结构的研究与工程实践相结合，分析解决大型天线罩的结 构设计和工程施工中遇到的问题，为今后雷达天线罩的研究和工程施工奠定坚实 的技术平台。 1 4 本文的主要内容 由于大型桁架天线罩工程涉及的技术领域较多，作者做为一名天线结构工艺 工作者，其中关键的，也是对今后大型天线罩工程意义较大的工作主要有以下几 个方面： 1 ) 查阅大量国内外资料，对目前国内外现役和正在研制的大型天线罩的结构 形式进行了分类和优缺点分析。在此基础上建立了大型天线罩结构形式并将其建 立设计模型中。 2 ) 利用三维软件对大型空间桁架天线罩结构进行划分，对划分结构进行参数 化三维建模。 3 ) 利用结构力学分析软件a n s y s 和复合材料力学分析软件对金属桁架结构 及玻璃钢介质天线罩进行载荷及稳定性分析。 4 ) 高性能天线罩的成型工艺制造与施工安装。 本文的组织结构如下： 第一章、绪论。主要介绍本课题的目的，国内外相关技术应用及发展，以及 本文所做的主要工作。 第二章、大型天线罩结构形式的简介和分析比较。通过对目前国内外大型天 线罩结构形式的分类和比较分析，获得各种大型球形天线罩在结构、结构强度、 性能等方面的特点。 第三章、大型球面天线罩结构的分割技术。简述天线罩的分割、拼装对天线 罩电气性能的影响，总结天线罩的划分原理过程，使得球罩的分割板块或杆件规 格种类最少，减少制造成本，又要尽量采用空间随机分割，避免相互平行的分割 线，满足天线罩电气高性能的要求。并通过三维c a d 软件建模技术对天线罩结构 的球面划分进行参数化设计，将会大大提高设计者在天线罩的球面划分设计阶段 的工作效率。 第四章、金属天线罩及介质天线罩结构载荷分析与结构优化，利用有限元， 通过风、雪、温度等外载荷的作用，分析金属和玻璃钢泡沫夹层两种天线罩在外 载荷的受力状态。 第五章、高性能介质天线罩的成型工艺制造与装配。通过总结大型介质天线 罩的零部件的材料成型工艺和现场的安装情况， 第六章、总结与展望。总结全文，指出大型天线罩工程研究中的实际问题， 并展望未来大型桁架天线罩工程的发展趋势。 第二章丈型天线罩结构形式的简介和分析 第二章大型天线罩结构形式的简介和分析 天线罩是随着雷达、通讯科技发展需要而诞生的一种空间结构体。大型天线 罩从结构特点上分为空间桁架式天线罩和薄壳式天线罩。空间桁架式无线罩采用 自行式支撑结构设计，适用于大型的天线罩结构。根据雷达通讯设备的用途和工 作环境大型桁架天线罩从材质上主要分为金属桁架天线罩和介质桁架天线罩，工 作波长低于l 波段的常用介质桁梨天线罩，岛于l 波段的常用金属桁架天线罩。 而对于薄壳式天线罩又分为刚性壳体天线罩和充气式天线罩，纯刚性壳体天线罩 主要用于小型天线罩，而充气式天线罩的尺寸相对较大。如按罩壁的横断面结构 可分为单层、a 夹层、c 夹层和多层结构。根据夹层材料又分为泡沫夹层和玻璃蜂 窝夹层等。大型天线罩就是根据这些结构和物理性能进行组合最终得出最合理、 经济的结构形式。无论何种形式的天线罩都是天线前面的障碍物，对天线辐射波会 产生吸收和反劓。改变天线的自由空间能量分布，并在一定程度上影响天线的电气 性能，对天线罩的电气性能必须进行一定的分析1 n ，。 2 1 天线罩结构形式 大型天线罩按材料常分为金属和介质桁架天线罩：如图21 ，金属和介质桁架 是一种以三角形为单元的结构件组合，每一个三角形桁架由高强度的丌 枢节点和 金属杆连接在一起，成为能承受环境载荷的球形网格壳体，构件的三角形窗口削 透波性和力学性能良好的介质薄膜材料做蒙皮，常用蒙皮材料有玻璃增强塑料 ( f r p ) 、聚酯纤维膜村等。环境载荷首先作用于蒙皮上，并通过蒙皮将全部外加 负荷传递到空间金属桁架上，所有桁架组合起来保持其结构的完整性。 图2 1 金属桁架天线罩 大型天线罩的结构r 程研究 21 l 金属桁架天线罩结构形式 金属桁架天线罩结构根描划分方法分为规则桁架和随机桁架，承载桁架材料 丰要分铝合金、钢结构，根据罩的用造和天线罩的尺寸可设计台理的结构形式。 钢结构的桁架结构天线罩抗风能力强，用于大型和超大形天线罩，铝结构天线革 抗风能力桐刘较弱，但重量明显低于钢结构天线罩，介质桁架天线罩有= 角形随 机分布结构，也有多边形分布结构，介质与夹层结台可以天线罩由于材料的优越 性，使其可以经受更加恶劣的环境。 规律分块钢桁架天线罩 如图22 为一种规律铡结构桁架天线罩结构，天线罩肋的空间取柚按球1 1 1 2 0 面 体的球面等边三角形均匀等分，构成肖规律的排列，根据等分的份数不同可得到 不训规格的单元件。蒙皮厚度为2 n l m ，采用玻璃制增强塑料用螺钉连接于规则的肋 e ，并同叫闻定于空w 节点l ，整体抗风达到了6 7 m s 。规则分块钢桁架天线罩制 造和安装都较容易， 图22 规则金属桁架天线罩 节点 随机钢结构桁架天线罩 如图23 为种钢结构金属桁架天线罩结构系统，t 耍由天线罩耩础、鼓风 系统、空川金属肋、空删节点、蒙皮及避萧照明系统组成。天线罩直往拍米，9 1 0 截球体，j 间肋的划分采用随机划分，天线罩肋粱为矩形钢管卣粱，肋的矩形横 断面尺寸基础部至顶部逐渐变小，保证了整球罩的强度稳定性。蒙皮厚度为12 m m ， 采用槊氯乙稀涂覆的策酯纤维膜材整体焊接成整球体，并同定于宁t “节点上，整 体抗风达到r6 7 m s 。如图24 为空问市点的连接形式。空司肋的角度方q 完全依 靠个节点的精密铸造精度保证，各肋的长短控制各节点的位黄。空司钢结构的桁 第二章大型天线罩结构形式的简介和分析 架天线罩的杆什工艺成本低，但大型钢结构安装复杂，需婪大型吊装设备，安装 周期长，工作量大。 天线罩基础2 鼓风系绒3 空问金属肋4 一空间中枢u 点 5 薄膜蒙皮6 一避雷及告警系统 图23 直径j 6 米大型金属桁架天线罩结构系统组成 中心节点2 肋杆3 定位防脱销4 一蒙皮问定调整机构 图24 钢结构桁架空间节点结构形式 大型天线罩的结构工删研究 随机肋铝结构天线罩 美国研制的赫斯泰克( h a y s t a c k ) 天线罩就是为长距离通讯雷达和射电天史而 设计的。如缉25 ( a ) ，天线罩直径4 57 米，7 8 截球体，蒙皮厚为08 m m 的玻璃钺 板，空间桁架位为随机分割肋，i 角肋单元结构如蚓2 5 ( b ) ，抗风能力达到j 75 8 m s ， 增益损耗118 ( s g h z ) ，苒巾卒问目架引入11 d b ，薄蒙皮引入02 d b 。 图2 5l t a , s t a c k 金属桁架天线罩结构 2 1 2 介质天线罩的结构形式 介质天线罩是主耍由介质材料组成的天线罩，由丁介质材利重量轻、机械强 度高、在t 作频率r 的介电常数和损耗角止切较低、耐老化、l _ | 】寸腐蚀等特点。由 于介质材料的优越性，使其可以经受更加恶劣的环境。现代高性能天线罩大都使 用介质天线罩性介质天线罩常用玻璃纤维增强塑料，天线罩中的夹心多用蜂 窝状芯于或泡沫塑判。充气天线罩罩体常采用用涂有海帅龙橡胶或氯丁橡胶的策 瞌纤维薄膜材料。图26 所示一种介质夹层天线罩系统。整个系统卡要包括：天线 鼍基础、罩体、维修软梯、避甯颂警装置通风照叫装置。介赝桁架天线革有三角 形随机分布结构，也有多边形分布结构，常见边界形状有桔瓣状、_ 三角形、六边 形、五边形或其它多边形等多种形式。 第一章大型天线罩结构形式的简介和分析 l _ 天线罩基础2 罩体3 维修软梯4 避富预警装置5 通风照明装置 图26 介质天线罩结构系统 薄板介质桁架式天线罩 大型单层薄板介质桁架天线罩的框架法兰材料和面板薄膜捌料都采h j 玻璃制 制成的整体天线罩板块，球面结构形式多采用多边形随机分割，面板足由曲面肋 板块、园顶型肋板块、加强肋和基础底座组成；l j 面肋板块四剧有边加强肋，加 强肋上有孔，孔! j 4 l n 对应，曲面肋板之间通过加强肋用蝶栓将其连接成环型壳 体，同顶型肋板块通过环型加强肋用螺栓与曲面肋扳块构成的环型壳体连接成为 球壳体；并形成一个旨架繁体结构，曲而肋板块之间的连接缝隙、园顶型肋板块 与环型壳体之间的连接缝隙填以弹性防水腻f ，卜而有可伸绵的软盖条，矸；成光 滑的球壳体，球壳体的底部为基础底座，基础底座j l j 钢筋混凝上制成并予埋蝶栓， t 埋螺栓的位置与球壳体底部曲而肋板块四周边肋1 4 的i l 柏列 通过螺栓将球壳 体固定存基础底庠l 。如l 图27 为种单层薄板介质桁架罩。 图2 7 单层薄板介质桁架式天线罩 。大型天线罩的结构工程研究 充气式天线罩 充气式天线罩采用膜材整体焊接而成，球形薄膜在截口四周围用压板固定于 气密性的平台上，周围或用绳索拉紧，或用其他方法固定，内部充气。它的优点 是罩壁簿且均匀，电气性能好，适于宽频带工作：罩体柔软便于折叠，芎量轻、 体积小，运输、储藏、安装方便。缺点是需要持续向罩内充气，以维持罩子形状 和必要的刚性。若充气设备发生故障，会使罩子倒塌而损坏天线。美国研制成最 大的充气罩，其直径为6 40 5 米( 2 1 0 英尺) ，用作“通信卫星”( t e l s t a r ) 的甫达天线。 “海基”x 波段雷达的充气天线罩，如图28 。天线罩重1 8 0 0 0 磅( 8 1 6 5 k f 4 ) ，高 1 0 3 英尺( 3 14 米) ，直径3 6 米，罩体采用高性能复合材料膜制造，抗胤能力 达到5 8 米，秒。 幽2 , 8 “海基”x 波段的充气式雷达天线罩 玻璃钢剐性夹层天线罩 玻璃俐i 胁戎的夫型天线革，球面结构形式多采1 j 多边形坐随帆分割，叨扳截 i l | 聃求用a 型或c 型夹层结构形式，如图29 及2 1 0 ；a 型克层面板由两个等厚 对称的高强度密度的表皮和一个低密度的芯子组成。它的优点是强度重量比和刚 度重量比大，适用于一定波长的大型地面天线罩。但缺点是上作频带窄，制造复 杂、成本高。当a 型夹层不能满足要求时，可采用由奇数崖组成的多层夹层结构。 另外夹层天线罩的设计丰要与天线的最高工作频率和风速的大小有关，随着夹层 芯层厚度的增加，临界扭曲破坏风速和安全系数裕度也相应增加，而天线的最大 工作频率则相反随着芯层厚度的增加而降低。因此当给定天线罩的临界扭曲安全 系数，随着天线工作频率的增加天线罩承载的额定风速将减小。与单层介质扳相 比，a 一夹层天线罩具有透波性好、频带宽等优点，因此广泛应用于高质量地面雷 达天线罩的制造中。中同于】9 7 2 年研制成功的直径4 4 4 米夹层天线罩即采川了a 型蜂窝克层壳体结构。高性能介质罩的板块琏接形式主要为图21 1 所示”。 盏 第一章大型天线蕈结构形式的简介和分析 l a ) 2 5 m 高性能泡沫夹目雷选天线罩( b ) 4 4 m 夹层玻璃锕蜂窝夹层舟质天线罩 图29 多边形介质夹层天线罩 蕞4 t t d _ - - _ _ 。_ 。 二：二：。型 女荒 * 璃伊盛 ：女e 图2i 0 夹层结构形式面板 罩体面板外蒙皮2 泡沫夹层3 罩体面板内蒙皮4 罩体横向加强肋5 连接螵栓 图21 1a 夹层介质天线罩面板连接形式 2 2 天线罩对电性能的影响简述 无论f u j 种形式的天线罩部是天线前面柏障碍物对天线辐射波会产生吸收和反 1 2大型天线罩的结构工程研究 射，改变天线的自由空间能量分布，天线罩的尺寸、桁架式网格、材料对天线方向 图包括增益、束宽、旁瓣电平、瞄准轴线、噪声温度、驻波比等都有一些影响， 天线罩设计时必须对结构进行电性能分析，确定天线罩结构对电性能的影响。 2 2 1 大型天线罩的尺寸确定 天线罩的结构形式多种多样，有截球型、半球型、球柱型、圆柱型和长方体 等，这主要由环境条件和入射角确定。为了在设计时，对罩壁的入射角进行控制， 大多数大型地面雷达天线罩的形状采用截球型。 从实用的角度考虑，天线罩的球体直径必须满足天线正常工作和维护所需的 空间，因此，天线罩的最小直径可用下式进行表示： d m i n = 2 水( 什r ) 其中，d m 证一天线罩的最小直径； r 一天线在罩内的偏心旋转半径； 广天线与天线罩之间的最小间隙( 约为0 5 米) 。 天线罩的直径还必须将天线口径上的电磁波对罩壁的入射角控制在一定范围 内。天线罩的功率传输系数和插入相位移是材料介电常数、损耗角正切和罩壁结 构的函数( 单层、a 夹层、c 夹层和罩体尺寸) ，同时也是电磁波对罩壁入射角的 函数。当天线罩球心与天线转动中心一致时，入射角可表示为： p = 眦s m 巫互 r o 这里，天线口径的分布函数为f ( x ，y ) ，凡为天线罩半径。 在入射角大于4 0 。时，电磁波的垂直极化分量随入射角的变化较为激烈，因 此，一般要将入射角限制在4 0 。以内，综合考虑以上因素，天线罩直径的经验设 计数值应在1 5 d 到2 0 d ( 天线口径) 之间。 天线在罩内工作时的最大回转示意图如图2 1 2 第二章大型天线罩结构形式的简介和分析 1 3 图2 1 2 天线工作时的最大罩内回转示意图 天线罩诸元之间的几何关系式： 詈+ ( h - r * c o s 薹) 2 + ( + 。+ z ) 2 亿- b ) 2 其中：d 一天线口径； h 一天线旋转中心高度5 i 卜天线罩半径； q 一天线罩截面圆周上，截去的弧长对应的圆心角5 h _ 天线面深度； l l o 一天线中心体高度； l 一天线旋转中心的水平偏距； b _ 天线边沿与天线罩之间的最小距离，一般取o 5 m 。 这样设计出的天线罩尺寸可使天线罩对设备的电性能影响尽可能小。 2 2 2 金属桁架天线罩对电性能的影响 金属桁架从发射观点看，它是发射天线和其它可看作二次辐射源的组合件对 入射能的散射体，这种桁架式网格结构对天线方向图包括增益、束宽、旁瓣电平、 瞄准轴线、噪声温度、驻波比等都有一些影响9 1 。 模型试验和计算机分析金属桁架对电磁场的影响，主要是桁架对天线口径的 遮挡和桁架上引起的感应电流，由于把桁架设计成随机的几何形状就能使反射波 相干，从而保证小的副瓣微扰和瞄准误差，以及对极化的不敏感，大大提高了天 1 4大型天线罩的结构工程研究 线罩的性能。当金属桁架的窗口尺寸 入2 时，电磁波便会截止。所以空间桁架 天线罩为一高通滤波器，适合双波段或多波段宽频带工作。空间桁架天线罩由结 构骨架和薄的膜片窗口组成，结构骨架对天线性能的影响起主要作用，而膜片窗口 的影响，除对很高的频率有传输损耗外，通常是可以忽略的。 实际孔径阻挡和感应电流率的乘积，可以确定对电场的扰动。考虑骨架影响 的一种方法就是考虑天线孔径面积被骨架所阻挡的范围内存在的能量损耗。分析 中首先确定元件的散射场，然后考虑元件的几何分布，以便确定骨架总的散射场。 为了估算有天线罩存在时天线周围存在的场，必须把元件总的场叠加起来分析。 空间骨架天线罩传输系数的计算： 当忽略窗口薄膜的影响，金属桁架肋的长度l 远远大于波长入。球形金属桁 架天线罩肋引起传输损耗的经验公式： 渤- 1 0 1 9 i 引肋= 扣5 形+ 3 5 d + 0 1 4 7 警+ c 鼍导) ( d b ) j 凡“ w 为肋的截面宽度，d 为截面深度，倘若w 1 天线罩结构划分定型流程： 00 00 s z 0 o1 图3 2 8 大型天线罩结构划分定型流程 p r o e 是基于参数化的三维计算机辅助建模软件，工程上利用其参数化建模设 计模块将极大的方便板块和节点的计算过程。当构造或计算出基本单元节点的坐 第三节大型球面天线罩划分方法及参数化造型 标后，利用软件三维造型和解析法对节点坐标进行变换便可计算出组合单元的整 体坐标值。如图32 8 为天线罩结构划分定型流程，图32 9 为2 1 2 体模型划分及组 合的p r o e 建模结构形式。 图32 9p r o e2 1 2 体模型划分及组合的建模结构形式 3 5 本章小结 本章首先介绍多种球面天线罩的划分方法同时重点给出三角形划分、多边 形划分的方法，如表31 为各种常见球罩的板块化分及种类规格情况总结。通过了 解这些划分方法的区别，对大型天线罩的结构和建模有了定性的认识，同时为天 线罩结构设计和力学分析奠定充分的数据基础。天线罩划分方法、参数化造型方 法、划分的随机性、划分板块、杆件的种类，对天线罩的性能、成本、制造、运 输等都有重要的指导意义。 3 8大型天线罩的结构工程研究 表3 1 常见球罩的板块化分及种类规格 划分形式整球板块数量规格种类边界种类 1 2 面体 1 211 2 0 面体2 0ll 3 0 面体 3 0 1 1 3 2 面体3 2 22 6 0 面体 6 023 2 0 面体边长2 等分 8 044 9 2 面体 9 233 2 0 面体边长3 等分 1 8 096 2 1 2 面体 2 1 245 6 0 面体边长2 等分 2 4 045 基于3 2 面体多边形随机划分 1 8 034 基于6 0 面体多边形随机划分 3 6 287 2 1 2 面体2 1 245 球面4 边形2 0 个单元三角随机划分1 6 8 0 杆件9 杆件8 杆件 6 0 面体单元中线6 等分的经纬划分 3 6 655 第嚣章天线罩的静力分析 第四章天线罩的静力分析 球形天线罩强度分析可以简化成如图4 1 的端自e l j 端固定压杆的临界载 荷强度分析模型。但大型天线罩是种内部相互连接的柱状框架结构，各框架单 元之间通过金属杆件、夹层材料结构、固体层压板臂或薄膜臂等相互连接。当在 这种柱型梁施加一正交力，显然天线罩呈现出一种综合复杂的屈趋问题，这种闯 题很难用解析的方法精确解决。随着计算机的发展，工程上利用大型的结构有限 元分柝软件对复杂的天线罩结构进行在强风、暴雪等载荷下的结构分析，可以方 便了解到其与实际情况的近似性。 一 tl x e db o t t o m 1 1 圈4 1 一端邀由一端篷定压枵在正交力作用下戆分析模鲨 一端囱由一端固定压杆的临界载荷：尼= 万三巨z ：么丘 f 为弹性模量 ，截面最小的形心主惯性距： j z = l 】，2 谢 一 o a 悬臂粱的最大弯矩：f sxl = m r a a x 空心圆截面的抗弯截面系数：w = 彤xd 3 ( 1 一( d d ) 4 ) 3 2 最大威力gm a x = m m a x w 4 1 天线罩环境载荷 随着雷达电性能要求的不断提高，地砸雷达犟无论是空间珩架式结构还是泡 沫或蜂窝夹层壳体结构，这种结构能否在要求的风载及其它载荷作用下安全使用， 大型天线罩的结构工程研究 是结构设计的关键。 天线罩在实际使用过程中，环境条件就是结构分析所需的结构载荷，主要有： 风载荷、温度载荷、自重、冰雪等。 风载荷 风向侨 厂一 孓f 莎| 图4 2 天线罩风载荷示意图 天线罩使用过程中，风压的大小，直接关系到结构的安全稳定性，如图4 2 。 必须按照相关规范进行设计。根据我国工程建设规范汇编2 一结构设计规范中 的规定，作用在建筑表面上的风载荷w ( k g m 2 ) 应按下式计算f 1 6 1 ： w = k 木k z 木w o 其中：w 一风载荷，k g m 2 ； k 一风载体形系数； k ：一风压高度变化系数； w 。一基本风压，n m 2 。 基本风压w 。为一般空旷平坦地面，离地l o m 高、统计获得的3 0 年一遇的1 0 分钟平均最大风速v ( m s ) 为标准，一般按w o = v 2 1 6 来确定。 对于大型地面天线罩来说，其表面的风压分布函数为： 只= g 。( “3 + o 埔叭咖缈c o 阳+ o 7 蹦n 29 + 寻o 5 5 9 9s m 3 卿s 口) 其中：q 。为基本风压，也就是w o 。 天线罩的设计风压为： 第四章天线罩的静力分析 4 1 p = p o 木k k 一超载系数，一般取1 4 。 温度载荷 天线罩的要求使用温度范围为2 5 一5 5 ，但相关国军标的要求温度为5 5 。c 一6 5 ，基于设计的保守性考虑，温度范围扩大为6 0 c 一8 0 。c 。 考虑到天线罩制造时的环境温度一般为2 0 c ，所以，使用环境下的最大温差 为： a t m 觚= 2 0 一( 一6 0 ) = 8 0 自重载荷 进行天线罩强度校核时，金属桁架可根据金属材料的密度体积由软件加载计 算，介质天线罩自重载荷先由下式确定： q c = q o 水k 2 q o 一天线重量； k z 一超载附加系数，一般取1 4 。 泡沫夹芯结构每平方米罩体的自重为： q 1 = k l k 2 k 30 1 p g 肚+ t 2 p f ) 一 其中：t ，一为蒙皮总厚度； t ：一为泡沫层厚度； k ，一为泡沫介质骨架系数5 k ：一为连接件、保护层等附加系数； k ，一为自重超载系数，一般取1 2 一1 3 ； p 。r p 一为玻璃钢容重，一般取1 7 1 8 9 c m 3 ； pf 一为泡沫容重，一般取o 0 8 0 1 0 9 c m 3 。 冰雪载荷 天线罩在冬天大雪条件下的冰雪载荷为： q 。= t 宰r 木k 式中：q 。一单位水平面积上的积雪； 大型天线罩的结构丁程研究 t 积雪厚度i r 一雪的密度； k 超载系数，一般取14 。 根据我国的气象资料统计，最深积雪厚度为6 0 c m ，雪的密度为0 2g e r a 3 。 4 2 金属桁架天线罩的静力分析 金属桁架天线罩的静力分析_ _ l = 要是对随机划分的金属桁架结构在环境载荷下 的天线罩结构强度和刚度评价，工程上常用a n s y s 软件建立金属桁架天线罩结构 力学分析有限元模型。控制罩内温度在0 c 以上来忽略雪载荷对天线罩的影响，重 点分析在重力和风载荷作用下，天线罩桁架结构的变形和应力。 4 2i 金属桁架天线罩分析模型 经过对某工程的天线罩结构进行适当的简化，用a n s y s 软件建立这种大型金 属桁架天线罩结构有限元模型，进行力学分析计算。如图43 ( a ) 、( b ) 所示， 该模型共有5 2 1 个结点，2 5 2 0 个单元。其中梁单元1 5 2 0 个，膜单元1 0 0 0 个。械 型中的所有参数采用咖、k g 盟位，整球为9 0 截球，直径为5 6 0 0 0 m m 。 ( a ) i 目杆粱h 布 ( b ) 5 7 = s 风作用在球的压 分布咒量场 图4 3 金属桁架天线罩结构有限元模型圈 单元类型： 模型中有二种单兀：梁单元用来模拟天线罩的骨架：膜单元用来模拟铺设在 骨架r 的膜。 材料常数： 结构中有两种材料，钢材的材料常数为 第四章天线罩的静力分析 4 3 杨氏模量 e x = 2 0 6 0 0k g m m 2 泊松比 密度 n u x y = o 3 d e n s = 7 8 5 e 一6k g m m 3 膜的材料常数为： 杨氏模量 e x = 8 7 5k g m 2 泊松比 密度 单元常数 n u x y = o 3 d e n s = i 0 5 e 一6k g m 3 a r e a梁截面积t k y沿y 轴截面高度 i y yy 轴轴惯矩t k z沿z 轴截面高度 i z zz 轴轴惯矩t k 板厚 i x x极惯矩 m a s s 质量值 模型中共有4 种单元常数。 第1 种单元常数用来指定天线罩上部杆件( 口1 0 0 8 0 1 0 ) 的截面参数： a r e a = 3 2 0 0 ，i y y = o 4 1 1 e 7 ，i z z = o 2 8 3 e 7 ，i x x = o 5 3 5 e 7 ，t k y = 8 0 ，t k z = 1 0 0 。 第2 种单元常数用来指定天线罩下部杆件( 口2 0 0 x 8 0 1 0 ) 的截面参数： a r e a = 5 2 0 0 ，i y y = o 2 4 2 e 8 ，i z z = o 5 2 9 e 7 ，i x x = o 1 4 3 e 8 ，t k y = 8 0 ，t k z = 2 0 0 。 第3 种单元常数用来指定天线罩下部小斜撑杆( d 2 0 0 8 0 x 2 0 ) 的截面参数： a r e a = 9 6 0 0 ，i y y = o 3 9 7 e 8 ，i z z = o 7 6 8 e 7 ，i x x = o 2 1 8 e 8 ，t k y = 8 0 ，t k z = 2 0 0 。 第