风载荷作用下天线支撑杆稳定性分析

风载荷作用下天线支撑杆稳定性分析

摘要：天线支撑杆是天线系统中的核心部件，其设计安装中需要考虑的一个重要因素是风载荷。利用ANSYS软件计算分析了风载荷作用下天线支撑杆的稳定性，计算结果表明，天线支撑杆设计合理，为工作人员设计安装天线支撑杆提供了参考依据。

关键词：天线设备；ANSYS；风载荷；天线支撑杆；稳定性分析

0引言

天线设备应用广泛，用电磁波来传递信息和能量的领域都离不开天线设备。天线支撑杆是受力的核心部件，除了满足电性能要求外，还必须满足机械性能，即在各种载荷作用下的变形不会超出允许范围。变形超过最大允许范围时，会造成永久变形，变形不能恢复即天线支撑杆结构失效。天线支撑杆失稳破坏的因素包括重力、温度、风载荷和地震等，天线支撑杆的安装设计中，需要考虑的一个重要因素就是风载荷。本文所研究的天线支撑杆大多架设在高山、海岛等边远地区，对其结构的稳定性要求较高。

1有限元法的基本原理

有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推到求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。有限元不

仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而称为行之有效的工具。

把结构划分成若干个单元以后，由单元刚度矩阵集成整体刚度矩阵，并建立整体荷载向量，整体刚度矩阵常用的方法是直接刚度法。

设变形为δ，结构的平衡方程为：

[K]{δ}=[R]（1）

其中[K]——刚度矩阵，[R]——载荷向量，{δ}——位移向量。

ANSYS软件是一个集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，该软件很好地实现了前、后处理，分析求解及多场耦合分析统一数据库。本文用有限元分析软件ANSYS分析了天线支撑杆在风载荷作用下天线支撑杆的稳定性。

2稳定性分析理论

稳定性分析是研究结构或构件的平衡状态稳定问题。根据结构失稳时平衡状态的变化特征，可分为分支点失稳和极值点失稳。分支点失稳是第一类稳定问题，当载荷小于一定数值时，平衡路径是直线的平衡构形，当大于某一数值时，平衡路径出现分支。平衡具有二重性。极值点失稳是第二类问题，当载荷大于一定的数值后，在任意微小的外界扰动下，结构的平衡构形都由直线转变为弯曲，失稳前后变形性质没有发生变化，稳定性分析的方法包括静力法、动力法、能量法和有限元法。

3天线支撑杆有限元模型

3.1天线支撑杆结构

天线支撑杆的设计考虑到承载能力、抗风能力、升降方式、安装

方式等，天线支撑杆的几何模型如图1所示。

天线支撑杆由3节钢管组成，同时配置3层拉线。

3.2模型建立

根据天线支撑杆的结构图纸，在ANSYS软件中建立天线支撑杆的精确三维几何线模型，从而为建立天线支撑杆有限元力学模型打好基础。

天线支撑杆的材料为Q235钢，该材料的弹性模量为212GPa，泊松比为0.3，密度为7.85×10+3kg/m+3。选择单元类型、设置单元选项、定义单元实常数。

由于天线支撑杆在抗风过程中，当只有在一个方向上的拉线承受拉力时为最严酷的条件，因此在分析的过程中只需要建立一个方向上的拉线。在地面上建立一个个新的关键点，然后再连接天线支撑杆上的铰接点即可获得加拉线后的天线支撑杆几何线模型，如图2所示。

天线支撑杆采用自由网格划分，拉线只能承受二向拉力，在该分析中采用link10单元进行划分，设置单元的半径为4mm，从而得到天线支撑杆的有限元计算模型。

4边界条件

4.1约束

对杆底处添加6个自由度的全约束，天线支撑杆拉线在地平面上的节点沿z方向的位移为0。

4.2天线支撑杆的自重

在天线支撑杆材料的定义中，设置材料的密度为7.85×

10+3kg/m+3 ，ANSYS能计算出塔架的总质量，设置沿y轴负方向上的重力加速度为9.8N/kg，这样ANSYS软件就会将重力载荷自动添加到天线支撑杆的有限元模型上。

4.3天线支撑杆顶端载荷

天线支撑杆顶端的支撑重量为25kg，这些重量作用顶端节点上，则加载力为

F-y=-25×9.8=-245N（2）

4.4风载荷

风载荷由静力风和动力风两部分组成。一般情况下，静力分析法用于静力风载荷作用下天线支撑杆结构失稳破坏的问题，动力分析法用于动力风载荷作用下结构的振动问题。本文讨论静力风载荷作用下，天线支撑杆结构的响应问题。

天线支撑杆设计的抗风能力为v=35m/s时不破坏。查相关手册得v=35m/s时对应的压强为100kgf/m+2。然后将F-凤均布作用到避雷塔上，方向为z轴正方向。

5计算结果

（1）天线支撑杆的位移。通过分析计算得出天线支撑杆的位移云图如图3所示，最大位移为61.063。

拉线的位移云如图4所示，最大位移为55.978，最大位移发生在8.4米处拉线的最上端。

（2）天线支撑杆的应力。天线支撑杆除拉线之外最大von Mises stress等效应力为46.26MPa，如图5所示。

由于拉线为link10单元，link10单元属于二力杆单元，在后处理中无法以云图显示。一般在后处理中列表显示杆单元的轴向力（SMIS1）和轴向应力（LS1），如图6所示。

拉线的最大轴向力和最大轴向应力都发生在第一层拉线处，最大轴向力为4 161.6N，最大轴向应力为82.794MPa。

（3）强度校核。为了保证结构具有足够的稳定性，必须使杆所承受的最大压力小于材料的极限应力，并且具有一定的安全欲度。

天线支撑杆在12级风力（风速为35m/s）时的安全系数为：

n=[SX（]σ-s[]σ-{max}[SX）]=[SX（]235[]46.26[SX）]=5.07（3）由此可见，该天线支撑杆在12级风力（风速为35m/s）条件下的稳定性较好。

6结语

实际设计安装天线支撑杆过程中，应考虑风载荷对其稳定性的影响。天线支撑杆风载荷的正确分析，能保证风载荷不会对天线支撑杆的稳定性造成破坏。本文采用有限元法分析12级风力作用下天线支撑杆的稳定性，证明天线支撑杆设计合理。

参考文献：

[1]段宝岩.天线结构分析、优化与测量[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[2]张波，盛太和.ANSYS有限元数值分析原理与工程应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]盛和太，喻海良，范训益.ANSYS有限元原理与工程应用实例