摘要：在大型钢结构天线结构的力学设计过程中，需重视参数优化与骨架优化，以《钢结构设计标准》为依据进行优化，以保证大型钢结构天线结构的质量与使用安全性。本文从三个方面详细阐述大型钢结构天线结构力学设计的优化，以保证骨架的刚强度。
关键词：优化；钢结构；天线结构；力学设计
近几年，随着我国科学技术的发展与国民经济的提高，探测能力得到较大发展，有源相控阵雷达以大型化为发展方向雷达口径最大超过1000平方米，具备设计难度高，内部设备多与结构复杂等多种特点。天线骨架属于一种支撑结构与主承力结构，具备重量轻、强度高、精度高等特征，可满足亚毫米测量的要求，因此需重点设计天线骨架的强度，以提高变形控制的有效性。
一、大型钢结构天线结构的力学设计
在大型钢结构骨架安装过程中，要保证天线结构的安全性与测量精度，尽量降低底部转台所承担的载荷量，减轻重量，需对架设周期与施工便捷性进行全面考虑。钢结构属于大型相控阵雷达天线的主承力骨架。
大型钢结构骨架的结构力学具备以下特点：（1）刚度要求高：大型钢结构安装过程中，需重视风荷载、太阳辐照、转动惯性荷载、重力荷载、温度荷载以及冰雪荷载等的影响变形，最佳控制效果是毫米；（2）工作环境复杂：钢结构骨架架设时的温度波动范围较大，施工设备较重，风速大，且抗震要求较高；（3）设备多，接口复杂：众多电子设备需安装在天线骨架中，同时还安装有辅助设备，例如：楼梯、电梯、维修通道等，天线骨架的接口安装复杂，承载力大。在大型钢结构的设计过程中，需对重点部位的结构力学进行设计与分析。
根据上述大型钢结构天线结构的力学特点，从以下五方面进行设计：（1）以荷载特点与形式为基础，优化设计布局与拓扑，保证承力单元的科学性与合理性，以降低大型钢结构设计的难度；（2）详细分析外部荷载，并与建筑荷载要求、军用雷达标准等相结合进行综合分析，以设备刚强度、安全性等为出发点，计算精确的仿真计算参数，以保证结构力学的合理性；（3）根据大型钢结构天线结构的结构原理、施工难度、荷载特点以及变形特点等为基础，选用合理的、科学的节点形式，尽量降低对骨架变形产生的不良影响，减轻骨架局部的承载力；（4）通过参数对设计技术进行优化，在满足钢结构变形指标与荷载要求等的基础上，优化设计天线骨架的刚强度，减轻钢结构自身的重量；（5）重点针对构型进行设计，最大限度的减轻温度变形的不良影响。
二、大型钢结构天线结构的荷载分析
天线荷载可分为间接作用荷载与直接作用荷载两种，其中前者包括焊接变形、地震、地基变形、温度变化等的作用；后者包括楼面荷载、设备荷载、自然荷载、结构自重荷载、屋面荷载等。
大型天线结构的设计过程中需考虑风荷载的作用，不仅需将平均风作用纳入考虑范畴，而且还需考虑自振周期超过0.25s或者是高度超过30m，高宽比超过1.5的高耸结构，详细分析脉动风作用。若是电线结构存在外形需求，需开展风洞试验以确定风阻系数；若是天线尺寸大，精度要求高，局部风压各不相同，需实施测力试验与测压试验。
温度荷载则是针对气温变化、使用热源以及太阳辐射等进行考虑，而温度荷载主要是通过结构的温度变化来体现的，再加上跨度较大，因而温度的变化极为明显，在研究过程中会发现温度导致骨架结构的变形较大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
三、优化大型钢结构天线结构力学的设计
1.优化大型钢结构天线结构的布局与拓扑设计
大型钢结构天线结构的设计需以概念设计为切入点，选择合适的构型方案与结构受力体系，全面思考大型钢结构天线结构的外形、精度、施工难度、整体强度、重量、成本与维修性等，以保证天线结构良好的性能水平，在保证大型钢结构天线结构质量的同时，需尽量降低资金成本投入，设计出最优化大型钢结构天线结构。
以结构的荷载与设备布置为基础拓扑优化天线骨架，以梯形为支撑结构开始初始模型优化，在满足最大变形要求的基础上，最大限度的减少材料的使用量。温度变形与应力非常明显，会导致结构尺寸的误差，若是大型钢结构天线结构的尺寸不改变，其变形也就不能消除。在结构变形的对电性能进行分析时，会发现法向变形属于最大影响因素，需协调底部骨架、支撑与阵面进行设计。若是在设计过程中无法有效降低结构骨架的变形数值的话，会采取有效措施降低法向变形，以减小温度应力。
2.优化骨架截面参数
在进行钢结构的局部设计的过程中，需选用片桁架与横向连接空间桁架的综合受力体系，在保证骨架刚强度需求的此基础上尽量降低骨架重量，优化骨架架构的杆件尺寸，以实现轻量化的要求。
通过大量的分析与研究可知，天线结构的阵面电性能具备较高的敏感性，特别是法向分量，因此，需最大限度的降低法向变量，以实现优化的目的。控制风荷载变形深受支撑竖杆、阵面主杆的影响。风荷载与控制自重等的变形深受阵面斜杆的影响。温度变形控制受到前后杆尺寸比的影响。
3.骨架与节点强度的设计
大型钢结构天线结构的骨架较大，尺寸较大，结构较为复杂，涉及的东西方方面面，细节较多，有限元分析难度较大。
骨架需通过杆单元与梁单元进行建模计算，板壳单元视为虚面，蒙皮与模拟阵面仅在荷载施加中应用，不进行结构计算。利用球铰支座在方位转台中安装好天线骨架，而球铰支座的位置则通过模型节点耦合来确定，通过分析，综合冰雪荷载、风载、自重、温度变形等造成的阵面法向变形最大，在20mm左右。在盐酸构件截面时，主要针对板宽厚比与杆件细长比进行验算。通过大量的分析研究可知，楼面斜撑与梁间的长细比大于150，而构件应力则不超过0.3.严格按照《钢结构设计规范》中的要求设计长细比，为200，以保证大型钢结构天线结构等质量。严格按照《钢结构设计规范》进行构件稳定性与静力强度等的验算，以满足规定要求。
工作人员需针对节点实施有限元分析，尽量降低约束、荷载施加等影响节点核心区的力度，构建有限元模型进行分析，延长节点核心区域的边缘，延长长度是连接构件直径的倍数范围是1—1.5倍，以有效降低核心区边界所承受的应力波动范围。
结语：
综上所述，大型钢结构天线结构的力学设计需从整体布局入手，综合考虑天线结构的重量与功能，通过拓扑优化提高材料结构的利用率，满足结构骨架的刚强度要求。利用片桁架与横向连接的受力体系，优化设计参数与杆件尺寸，以保证大型钢结构天线结构设计的最优化。
参考文献：
[1]李申. 大型天线结构协同设计关键技术研究[D].西安电子科技大学,2013.
[2]景益娟. 大型雷达天线伺服控制方法与抗风扰特性研究[D].西安电子科技大学,2013.
[3]李干. 大型天线安装测量与面型数据处理若干问题研究[D].解放军信息工程大学,2012.
[4]马小飞,李洋,肖勇,郑士昆,黄志荣,冯涛. 大型空间可展开天线反射器研究现状与展望[J]. 空间电子技术,2018,15(02):16-26.
论文作者:黄岩,丛芮
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：荷载论文; 天线论文; 结构论文; 钢结构论文; 骨架论文; 力学论文; 温度论文; 《基层建设》2019年第15期论文;