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星载复合材料天线结构动力响应分析
中国科学院 范文杰
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摘要：天线结构的动力学性能对于卫星工作可靠性具有重要意义。本文以某卫星星载天线为研究对象，分析了复合材料天线的固有频率及频率响应，对天线的结构设计和改进提供了重要依据。
关键词：天线；复合材料；固有频率；频率响应
1. 引言
天线结构的动力学性能对于整个卫星的正常工作起着至关重要的作用。天线结构是典型的机电一体化结构，其力学特性对整体的电性能发挥起着极其重要的作用。对于工作在露天状态下的天线，必须确保其机械系统在复杂的外界环境条件下仍能满足电性能要求。由于天线波束宽度很窄，对指向精度要求高，这就要求天线结构的整体刚度高，以保证天线在正常工作状态下的指向精度要求；同时还应满足强度要求，保证天线在各种工况下不发生破坏。本文以某卫星复合材料天线结构为研究对象，采用MSC/NASTRAN分析了复合材料天线的固有频率及频率响应，对天线的结构设计和改进提供了重要依据。
2. 天线结构
天线反射面采用蜂窝夹层结构，蒙皮为碳纤维材料，夹心为铝蜂窝结构。蜂窝夹层板具有许多优点，包括优良的比刚度性能、较高的比强度性能、良好的抗疲劳、阻尼减振等。图1所示为天线CAD结构，图2为有限元模型。复合材料反射面的模型中，NASTRAN采用Mindlin剪切板元进行夹层板的分析。

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3. 模态分析
模态分析是动力学分析的基础，它的目的是确定结构的固有频率和固有振型，模态分析的结果对动力学分析及优化设计有较大的实用价值。 振型叠加法就是以模态分析所得到的固有振型来确定系统响应的。
通过模态分析确定天线的前两阶频率为：
一阶频率73Hz，满足频率要求，振型为波导的局部Y 向弯曲振动，见图3；
二阶频率为80Hz，振型为天线结构整体的X 向摆动，见图4。

（图片） （图片）

图3 一阶振型 图4 二阶振型

4. 频率响应分析
天线坐标系为三个方向，这里对天线结构X 向和Y 向进行了频率响应分析，得到了天线关键部位的加速度响应，并且分析了波导强度。

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图5 模型中响应取点位置

4.1 X 向正弦振动频率响应
结合试验数据，频响分析中，模态阻尼比取0.025。
图6 为X 向振动加速度响应曲线，馈源处X 向加速度83g (试验值82.7)。

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图6 X 向振动加速度响应曲线

图7 为加速度云图，最大值位于馈源与波导连接处，大小为126g。

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图7 X 向响应加速度云图

波导最大应力162MPa，强度裕度1.05，见图8

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图8 X 向振动波导应力云图

4.2 Y 向正弦振动
结合试验数据，频响分析中，模态阻尼比取0.04。
加速度分布云图见图9，最大加速度位于波导中部，大小为167g，馈源加速度响应69g（试验值58.2g）。

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图9 Y 向加速度响应云图

波导应力云图如图10 所示，最大应力为147MPa，位于波导与反射面的卡子部位。

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图10 Y 向振动波导应力云图

5. 结论
本文以某卫星复合材料天线结构为研究对象，采用MSC/NASTRAN 分析了复合材料天线的固有频率及频率响应，对天线的结构设计和改进提供了重要依据。 5/22/2011

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