CN101527384B - 均衡稳定空间网格式反射面天线背架的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均衡稳定空间网格式反射面天线背架的制造方法，它涉及反射面天线领域中的一种均衡稳定空间网格式反射面天线背架的制造技术。它采用空间网格的原理来设计天线反射面背架结构，把四角锥结构作为基本的连接模数单元，整个反射面背架结构由多个尺寸不等的四角锥模数单元组成，形成稳定的三维空间网格结构。本发明具有三维受力特征，因此结构整体性好、分布均衡、受力均匀，所有的杆件通常都能分担到荷载的作用，结构的整体比刚度大幅度提高，且还具有加工简单及经济合理等特点。特别适用于口径大于25米的大型反射面天线结构中作主反射器的背架结构制造。

Description

均衡稳定空间网格式反射面天线背架的制造方法

技术领域

本发明涉及反射面天线领域中的一种均衡稳定空间网格式反射面天线背架的制造方法，特别适用于口径大于25米的大型反射面天线结构中作主反射器的背架结构制造。 

背景技术

目前大型反射面天线的背架结构形式均是传统的由辐射梁和环向桁架或环向拉杆组成的空间桁架(简称传统天线背架)，这种天线背架存在以下不足：传统天线背架虽然可以满足电气要求，但由于它的三维空间桁架是由平面形式的辐射梁桁架和平面形式的环向桁架或环向拉杆组成，其各个杆件的受力不尽均匀，比刚度较小，在使用要求的刚度下，使得主反射器的整体结构重量较大，从而导致天线系统的配重增加，动力加大，成本提高。随着天线口径的增大和工作频率的提高，尤其是口径在25米以上、工作在Ka频段以上时，这种影响就显得尤为突出。设计大比刚度天线背架，已成为制造大型天线背架的关键技术。 

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种大型天线的均衡稳定空间网格式天线反射面背架的制造方法，与传统天线背架相比，均衡稳定空间网格式天线反射面背架拚弃了传统天线背架的平面桁架元素，具有三维受力特征，因此本发明结构整体性好，结构杆件分布更均衡，杆件受力更均匀，所有的杆件通常都能分担到 荷载的作用，而荷载会较均匀地通过这整个结构分配到所有的支座，结构的整体比刚度大幅度提高，且本发明制造的均衡稳定空间网格式天线反射面背架还具有加工简单及经济合理等特点。 

本发明的目的是这样实现的，它是采用空间网格的原理设计天线反射面背架结构，把四角锥结构作为基本的连接模数单元，整个反射面背架结构由多个尺寸不等的四角锥模数单元组成，形成稳定的三维空间网格结构； 

包括步骤 

①将组成天线反射面的每块反射面单元的四个顶点在反射面的非工作面方向，沿法向移动100至500毫米的距离，形成天线背架的上弦节点1，记为N_i ^j，其中：N、i、j均为自然数，i为上弦节点N_i ^j在反射面半径方向的标识，j为上弦节点N_i ^j在反射面圆周方向的标识； 

②将各上弦节点N_i ^j分别与半径方向、圆周方向相邻的上弦节点相连，形成由不同尺寸的梯形平面构成的背架上弦面2，记为M_p ^r，其中：M、p、r均为自然数，p为上弦面M_p ^r在反射面半径方向的标识，r为上弦面M_p ^r在反射面圆周方向的标识，每个上弦面M_p ^r各对应一块反射面单元，上弦节点N_i ^j即为反射面单元的支撑点； 

③根据背架结构参数要求，确定反射面背架的下弦轮廓面结构，与上弦节点相对应，在下弦轮廓面上确定下弦节点3，记为Q_x ^y，其中：Q、x、y均为自然数，x为下弦节点Q_x ^y在反射面半径方向的标识，y为下弦节点Q_x ^y在反射面圆周方向的标识； 

④将各下弦节点 

分别与半径方向、圆周方向相邻的下弦节点相连，形成由不同尺寸的梯形平面构成的背架下弦面4，记为 其中：W、s、t均为自然数，s为下弦面 

在反射面半径方向的标识，t为下弦面 

在反射面圆周方向的标识； 

⑤在上弦面 和下弦面 

之间，以上弦面 

为底面，设计四角锥模数单元，形成整体结构的均衡稳定空间网格式天线反射面背架5； 

⑥在反射面背架5的最大厚度处，如果四角锥模数单元的腹杆长度大于上弦面 

的长边尺寸，则要将空间网格结构设计成双层或大于双层，层与层之间的空间网格结构的腹杆节点的选取，要满足两个必要条件： 

a.腹杆节点设置在通过上弦面 

形心的法线上； 

b.腹杆节点设置在上、下弦节点之间的均分位置上； 

⑦根据反射面背架5的网格结构，采用计算机分析软件建立反射面背架计算模型并赋予材料特性，及计算、优化和校核网格结构的结果。 

本发明与背景技术相比具有如下优点： 

1.本发明采用空间网格的原理来设计天线反射面背架结构，克服了传统天线背架中平面桁架元素的不足，形成全三维的四角锥模数单元结构，具有三维受力特征，因此结构整体性好，杆件受力更均匀，所有的杆件通常都能分担到荷载的作用，而荷载会较均匀地通过这整个结构分配到所有的支座。 

2.本发明制造的反射面背架采用的空间网格属于高次超静定结构，这意味在一个或有限数量的杆件遭破坏时，总的来讲也未必会导致整个结构坍塌，因此其结构的坚固性好。 

3.本发明制造的反射面背架的四角锥模数单元，和传统天线背架相比，杆件在三维空间分布更均衡，受力更均匀，因此整体比刚度大幅度提高，这就意味着，在同样重量和荷载的条件下产生的变形更小，天线精度更高，或者说在同样允许的变形条件下，所需的重量更小或承受更大的荷载，成本更合理。 

4.本发明制造的反射面背架的四角锥模数单元，可以工厂预制，现场安装，也可以用加工杆件在现场直接装配。因此容易制造，经济合理，采用一般机械加工设备就能生产，尤其是采用在现场直接装配方案，能节省大量的运输费用。 

附图说明

图1是本发明制造65米天线反射面背架的30°网格结构最佳实施例的结构示意图。 

图1中：1为上弦节点、2为上弦面、3为下弦节点、4为下弦面、5为天线反射面背架。 

图2是本发明上弦节点1、上弦面2、下弦节点3、下弦面4的结构标识示意图。 

图2-1是本发明上弦节点1(N_i ^j)、上弦面2(M_p ^r)的结构标识示意图。 

图2-2是本发明下弦节点3(Q_x ^y)、下弦面4(W_s ^t)的结构标 识示意图。 

具体实施方式

本发明最佳实施例以65米天线背架的30°网格结构单元为示例，如图1所示，图1是本发明制造65米天线反射面背架的30°网格结构实施例的最佳示意图。图1中包括上弦节点1、上弦面2、下弦节点3、下弦面4、天线反射面背架5。 

它是采用空间网格的原理设计天线反射面背架结构，把四角锥结构作为基本的连接模数单元，整个反射面背架结构由多个尺寸不等的四角锥模数单元组成，形成稳定的三维空间网格结构。 

本发明包括下列步骤： 

(1)将组成天线反射面的每块反射面单元的四个顶点在反射面的非工作面方向，沿法向移动100至500毫米的距离，形成天线背架的上弦节点1，记为Nij，其中：N、i、j均为自然数，i为上弦节点N_i ^j在反射面半径方向的标识，j为上弦节点N_i ^j在反射面圆周方向的标识，如图1所示。 

实施例沿法向移动500毫米，形成天线背架的上弦节点N_i ^j，其中30°范围的上弦节点1(N_i ^j)标识示意为1₁ ¹、1₂ ¹、...1₉ ¹，1₁ ²...1₉ ⁵，如图2-1所示。 

(2)将各上弦节点N_i ^j分别与半径方向、圆周方向相邻的上弦节点相连，形成由不同尺寸的梯形平面构成的背架上弦面2，记为M_p ^r，其中：M、p、r均为自然数，p为上弦面M_p ^r在反射面半径方向的标识，r为上弦面M_p ^r在反射面圆周方向的标识，每个上弦面M_p ^r各 对应一块反射面单元，上弦节点N_i ^j即为反射面单元的支撑点。 

实施例天线背架的上弦面M_p ^r，其中30°范围的上弦面2(M_p ^r)标识示意为2₁ ¹、2₂ ¹、...2₉ ¹，2₁ ²...2₉ ⁵，如图2-1所示。 

(3)根据背架结构参数要求，确定反射面背架的下弦轮廓面结构，与上弦节点相对应，在下弦轮廓面上确定下弦节点3，记为Q_x ^y，其中：Q、x、y均为自然数，x为下弦节点Q_x ^y在反射面半径方向的标识，y为下弦节点Q_x ^y在反射面圆周方向的标识。 

实施例确定下弦节点Q_x ^y，其中30°范围的下弦节点3(Q_x ^y)标识示意为3₁ ¹、3₂ ¹、...，3₉ ¹...3₉ ⁵，如图2-2所示。 

(4)将各下弦节点Q_x ^y分别与半径方向、圆周方向相邻的下弦节点相连，形成由不同尺寸的梯形平面构成的背架下弦面4，记为W_s ^t，其中：W、s、t均为自然数，s为下弦面W_s ^t在反射面半径方向的标识，t为梯形平面W_s ^t在反射面圆周方向的标识。 

实施例天线背架的下弦面W_s ^t，其中30°范围的下弦面4(W_s ^t)标识示意为4₁ ¹、4₂ ¹、...4₉ ¹，4₁ ²...4₉ ⁵，如图2-2所示。 

(5)在上弦面M_p ^r和下弦面W_s ^t之间，以上弦面的梯形平面M_p ^r为底面，设计四角锥模数单元，形成整体结构的均衡稳定空间网格式天线反射面背架5，如图1所示。 

在背架的最大厚度处，四角锥模数单元的腹杆长度大于上弦面M_p ^r的长边尺寸，则要将空间网格设计成双层或大于双层，层与层之间的空间网格结构的腹杆节点的选取，满足两个条件： 

a.腹杆节点设置在通过上弦面M_p ^r形心的法线上； 

b.腹杆节点设置在上、下弦节点之间的中点位置上。 

实施例本发明的腹杆长度小于上弦面M_p ^r的长边尺寸，则空间网格设计成单层网格结构，如图1所示。 

(6)根据反射面背架5的网格结构，采用计算机分析软件建立反射面背架计算模型并赋予材料特性，及计算、优化、校核网格结构的结果。 

实施例采用MSC公司的Nastran分析软件对均衡稳定空间网格式反射面天线背架进行计算、优化及校核后，获得均衡稳定空间网格式反射面天线背架模型(称分析模型)结构，该分析模型和传统天线背架模型(称比较模型)结构在外形尺寸、上弦节点和下弦节点、支点约束等要素完全相同，仅在内部结构上，分析模型是均衡稳定空间网格式，而比较模型则是平面辐射梁桁架和环向平面桁架或环向平面拉杆式。 

采用MSC公司的Nastran分析软件对两种背架模型分析结果如表1所示： 

表1  分析结果： 

背架结构的最小刚度 ${\mathrm{EI}}_{\min }\∝\frac{1}{F_{\max }},$ F_max为结构的最大变形，背架 结构的最小比刚度K是最小刚度EI_min与其重量W的比值，即 

$K=\frac{\mathrm{EI}\min }{W}\∝\frac{1}{F_{\max }W}.$

Claims (1)

1.一种均衡稳定空间网格式反射面天线背架的制造方法，其特征在于：它是采用空间网格的原理来设计天线反射面背架结构，把四角锥结构作为基本的连接模数单元，整个反射面背架结构由多个尺寸不等的四角锥模数单元组成，形成稳定的三维空间网格结构；

包括步骤

①将组成天线反射面的每块反射面单元的四个顶点在反射面的非工作面方向，沿法向移动100至500毫米的距离，形成天线背架的上弦节点(1)，记为

其中：N、i、j均为自然数，i为上弦节点

在反射面半径方向的标识，j为上弦节点

在反射面圆周方向的标识；

②将各上弦节点

分别与半径方向、圆周方向相邻的上弦节点相连，形成由不同尺寸的梯形平面构成的背架上弦面(2)，记为

其中：M、p、r均为自然数，p为上弦面

在反射面半径方向的标识，r为上弦面在反射面圆周方向的标识，每个上弦面

各对应一块反射面单元，上弦节点

即为反射面单元的支撑点；

③根据背架结构参数要求，确定反射面背架的下弦轮廓面结构，与上弦节点相对应，在下弦轮廓面上确定下弦节点(3)，记为

其中：Q、x、y均为自然数，x为下弦节点

在反射面半径方向的标识，y为下弦节点

在反射面圆周方向的标识；

④将各下弦节点

分别与半径方向、圆周方向相邻的下弦节点相连，形成由不同尺寸的梯形平面构成的背架下弦面(4)，记为

其中：W、s、t均为自然数，s为下弦面

在反射面半径方向的标识，t为下弦面

在反射面圆周方向的标识；

⑤在上弦面

和下弦面

之间，以上弦面为底面，设计四角锥模数单元，形成整体结构的均衡稳定空间网格式天线反射面背架(5)；

⑥在反射面背架(5)的最大厚度处，如果四角锥模数单元的腹杆长度大于上弦面

的长边尺寸，则要将空间网格结构设计成双层或大于双层，层与层之间的空间网格结构的腹杆节点的选取，要满足两个必要条件：

a.腹杆节点设置在通过上弦面

形心的法线上；

b.腹杆节点设置在上、下弦节点之间的均分位置上；

⑦根据反射面背架(5)的网格结构，采用计算机分析软件建立反射面背架计算模型并赋予材料特性，及计算、优化和校核网格结构的结果。

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