整膜式金属桁架天线罩承载能力分析_孙小刚.pdf

第39卷第3期2023年6月Electro-Mechanical Engineering结构设计DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.03.005整膜式金属桁架天线罩承载能力分析*孙小刚1，李治清1，王超1，罗晓群2（1.南京电子技术研究所，江苏 南京 210039；2.同济大学土木工程学院，上海 200092）摘要：膜结构因其质量轻、强度高及透波性能好而被广泛应用于雷达天线罩领域，整膜式金属桁架天线罩就是膜结构天线罩的重要应用方向之一。文中以某即将寿终的大型整膜式金属桁架天线罩为研究对象，首先详细阐述了承载能力分析评价模型中重要参数的获取方法，如金属骨架整体形态检测、膜面张力测量及膜材力学性能检测等；然后通过有限元分析法对天线罩的膜结构和钢骨架的承载能力进行了分析评价；最后根据分析评价结果对天线罩的后续使用或大修提出了合理化建议。关键词：天线罩；膜结构；承载能力；有限元分析法；金属桁架中图分类号：TN820.8文献标识码：A文章编号：10085300(2023)03001905Analysis of Bearing Capacity of Integral Membrane RadomeSupported by Metal TrussSUN Xiaogang1,LI Zhiqing1,WANG Chao1,LUO Xiaoqun2(1.Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China;2.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:The membrane structure is widely used in radome field because of its light weight,high strengthand good wave transmissivity.Among them,the integral membrane radome supported by metal truss is oneof the important application directions of membrane structure radome.In this paper a large-scale integralmembrane radome which is supported by metal truss and is about to reach its end of life is taken as theresearch object.Firstly,the method of obtaining important parameters which are used in the bearing capacityanalysis and evaluation model is described in detail,such as the overall shape detection of metal skeleton,membrane surface tension measurement and mechanical properties detection of membrane materials.Then,the bearing capacity of membrane structure and steel skeleton of radome is analyzed and evaluated by finiteelement analysis method.Finally,some reasonable suggestions are proposed for the subsequent use or overhaulof radome based on the analysis and evaluation results.Key words:antenna radome;membrane structure;bearing capacity;finite element analysis method;metaltruss引言膜结构因其结构简单美观而被广泛应用于大型建筑结构，如水立方、上海虹口足球场等；因其具有优异的电气性能和结构性能而被较多地应用于雷达天线罩，如张拉膜天线罩、充气罩及金属桁架天线罩15。其中金属桁架天线罩主要由金属骨架和膜材组成。金属骨架是天线罩的主承载结构，同时为膜结构提供安装基础；膜结构为天线提供良好的电磁窗口和稳定的工作环境。金属桁架天线罩的结构形式主要有2种：一种是整膜式金属桁架天线罩，先由独立杆件拼装成球形空间桁架，再将由柔性膜材制成的整体蒙皮覆盖在桁架上；另一种是分块金属桁架天线罩，蒙皮先固定在三角单元块金属骨架上，再由若干个三角单元块拼装成球罩67。金属桁架天线罩的优异性能使其得到了较广泛的应用。目前，该领域面临着新产品加速研发及早期产品寿终评估的双周期，因此对其承载能力进行科学的分析评估就显得尤为重要。文中以即将寿终的某整膜式金属桁架天线罩为例，对该类天线罩的承载能力进行了详细的分析评估。*收稿日期：2023010619结构设计2023年6月1整膜式金属桁架天线罩概况某大型整膜式金属桁架天线罩（图1）已接近寿终，需对其承载能力进行评估。该天线罩金属骨架为方钢管单层球壳网格结构，外覆聚偏二氟乙烯（PVDF）膜材。金属骨架的基本单元为三角形，近1000个平面三角形按准随机方式排列，三角形节点在球面上，构成菱形多面体。该天线罩的膜面分5片在工厂成型，且5片膜材的球顶部分先在工厂热合成一体，吊装到金属网壳上后逐片展开。5片膜材间采用连接绳连接，内外披帘热合封闭，然后通过网壳上的节点顶升机构对膜材施加预张力。图 1天线罩外形图2金属桁架整体形态检测通过测量金属骨架的节点坐标，既可了解使用数十年后骨架的变形情况，也可为骨架的准确建模提供输入。如图2所示，在天线罩内利用全站仪测量钢骨架节点的坐标。通过调整全站仪的位置，逐个测量各个区域的钢骨架节点坐标，共测得98.8%的节点坐标，由于遮挡原因，其余1.2%的节点坐标未测出。图 2钢骨架节点坐标检测将测得的骨架节点坐标导入计算机辅助设计（Computer-Aided Design,CAD）模型，连线建立实测的钢骨架模型，再将金属骨架的理论模型与实测模型的截面圆心重合，并通过旋转模型将两者之间对应支座节点的距离之和调整至最小。经分析，实测节点均位于理论节点的下方，逐个提取理论模型和实测模型节点的距离差，对应节点距离分布的直方图如图3所示。020406080100120140160180200220240260280300320340360380400理想节点与实测节点距离/mm02468101214占比/%占比近似正态分布图 3对应节点距离分布直方图经分析，理论模型和实测模型的节点位置偏差的最大值为331 mm，均值为112.66 mm，标准差为60.65 mm，中位数为89.00 mm，小于200 mm的数值占比为88.50%，60 200mm的数值占比为74.20%，节点位置偏差的均值和中位数与直径比值分别为1/497和1/629。从检测结果可知，位形差在1/250以内的占比在92.7%以上，不影响结构使用。实测钢骨架节点坐标与理想钢骨架节点坐标偏差较小，钢骨架位形正常合理。3膜面张力测量测量天线罩的膜面张力，为后续有限元模型的找形分析提供输入。如图4所示，现场根据膜材的结构及受力特点分区采样。通过丝网测力计分别测试每个测点径向和纬向的张力，经向和纬向各测量3次，取3次的平均值作为最终采集结果。图 4膜面张力检测根据CECS 158：2015膜结构技术规程 第5.3.3条8，膜材长期效应组合下的膜材抗力分项系数为5，膜材抗拉强度设计值为17.2 N/mm；根据CECS 158：2015膜结构技术规程 第5.2.3条，P类膜材预张力水平建议值为1 4N/mm，通常为了有利于张拉取下限值。经综合考虑，工程推荐值取膜材抗拉强度设计值的10%，即1.72 N/mm。膜面的预张力大小分布具有随机性，对测得的膜面张力数据进行分析得知，靠近赤道附近的膜张力保20第39卷第3期孙小刚，等：整膜式金属桁架天线罩承载能力分析结构设计持在1.5 2N/mm，基本不松弛；靠近支座附近的膜面张力在1.5 N/mm左右。可见待测天线罩的膜面应力有所松弛，但处于规程允许的预应力范围内。4膜材力学性能检测4.1膜材取样由于天线罩正在服役期，为不影响天线的正常工作，避免发生意外而破坏膜材，检测中选择钢件与膜面接触位置的保护膜作为测试膜材，实现天线罩膜材无损取样。4.2拉伸试验采用增速伸长试验机对取样的膜材进行拉伸试验，即通过等速伸长试验机匀速拉伸取样材料，同时实时记录拉伸力大小并绘制过程曲线，直至试样断裂，如图5所示。通过分析过程曲线和数据获得所取试样的实际抗拉强度。该试验机的参数为：恒定伸长速率100 mm/min，精度10%，隔距长度(200 1)mm，数据采样率8 Hz，断裂力的允许误差1%，夹具间距的允许误差1mm。图 5增速伸长试验机及膜材断裂形式试验测得膜材的抗拉强度值和撕裂强度值均小于出厂强度值。经向抗拉强度下降34.3%，纬向抗拉强度下降49.6%，经向撕裂强度下降25.0%，纬向撕裂强度下降32.1%，表明膜材存在一定程度的老化。5天线罩承载能力分析5.1有限元模型构建5.1.1天线罩几何模型建立天线罩几何模型建立步骤如下：1）将测得的钢骨架节点坐标导入CAD模型；2）考虑膜支承杆长度，沿节点所连构件的平均法线方向换算膜支承点的坐标，从而获得全部膜撑点坐标；3）将包含全部膜撑点坐标和钢骨架的CAD模型导入3D3S结构分析软件中做进一步的建模和分析。找形前的膜模型和钢骨架模型如图6所示。(a)膜模型(b)钢骨架模型图 6找形前的膜模型和钢骨架模型5.1.2材料特性天线罩膜材的初始特性为：厚度0.78 mm，每平方米膜材的质量1050 g，抗拉强度（经纬向）86 N/mm，弹性模量（经纬向）800 N/mm2，泊松比（纬向）0.08。取样膜材老化后的抗拉强度近似折减为出厂值的50%，故主膜材老化后的抗拉强度按43 N/mm取值。根据标准GB/T 6991999优质碳素结构钢中表3，20#钢的屈服强度为245 MPa，抗拉强度为410 MPa9。5.1.3载荷定义5.1.3.1风载荷根据GB 500092012 建筑结构荷载规范 8.1.1节规定10，风载荷标准值k按式（1）计算：k=zsz0(1)式中：z为风振系数，根据CECS 158：2015膜结构技术规程 第5.3.2条规定取为1.58；s为风载荷体形系数；z为风压高度变化系数；0为基本风压。根据式（2）换算结构的基本风压：0=v2s1600(2)式中，vs为设计风速。天线罩的风载荷体形系数s按GB 500092012建筑结构荷载规范 表8.3.1设定10。换算后的体形系数如图7所示。(a)迎风面(b)背风面(c)顶面(d)侧面图 7天线罩膜结构体形系数云图21结构设计2023年6月5.1.3.2活载荷根据CECS 158：2015膜结构技术规程 第3.3.4条膜面的活载荷标准值取0.3 kN/m2。根据CECS 158：2015膜结构技术规程 表3.3.5，考虑以下4种控制载荷组合8：1）1.0恒载荷+1.0活载荷+1.0初始预张力；2）1.2恒载荷+1.4风载荷+1.0初始预张力；3）1.2 恒载荷+1.4 风载荷+1.4 0.7 活载荷+1.0 初始预张力；4）1.2 恒载荷+1.4 活载荷+1.4 0.6 风载荷+1.0 初始预张力。5.2初始状态分析通过调整膜面的初始预张力，试算天线罩膜结构初始状态，目标是找形后的膜面初张力与实测膜面张力相接近。找形完成前后的天线罩膜结构见图8。(a)找形前(b)找形后图 8找形前后膜结构外形天线罩膜结构初始状态经向膜面张力为1.250 1.663N/mm，纬向膜面张力为1.351 1.643N/mm。通过对比发现，模型初始状态膜面张力与实测数据接近。在此模型的初始状态基础上施加载荷进行受力分析，得到的膜结构受力状态可以较为真实地模拟出实际膜结构的受力状态。5.3膜结构承载能力分析天线罩一般需满足在12级风工况下安全工作的要求，因此分析中据此定义风载荷。5.3.1膜材载荷态分析（1）第1类载荷效应组合图9为载荷组合1下膜结构的受力状态。该组合表征了结构在正常使用第1类载荷效应组合下的受力状态，各处最大膜张力的最大值为9.454 N/mm，膜张力在膜支承点位置达到最大值。(a)正视图(b)俯视图图 9载荷组合1下膜面应力（2）第2类载荷效应组合图10为载荷组合2下膜结构的各处最大膜应力云图。载荷组合2下膜结构各处最大膜张力的最大值为22.383 N/mm。另外，载荷组合3下膜结构各处最大膜张力的最大值为16.332 N/mm，载荷组合4下膜结构各处最大膜张力的最大值为21.267 N/mm。这3种组合均在膜结构顶部位置达到最大值。(a)迎风面(b)背风面(c)顶面(d)侧面图 10载荷组合2下膜结构最大膜应力云图风载荷在膜结构顶部产生较大的风吸力，使得膜结构顶部膜张力达到最大值，而活载荷的作用会抵消一部分风吸力的不利影响，所以只有恒载和风载荷作用的载荷组合2的膜张力最大。5.3.2膜结构安全性评估根据CECS 158：2015膜结构技术规程 第5.3.3条规定8，在各种载荷组合作用下，膜面各点的最大主应力max应满足下列要求：max6ff=fkR(3)式中：f为最大主应力方向的膜材抗拉强度设计值；fk为膜材抗拉强度标准值86 N/mm；为强度折减系数，一般部位取1.0，节点和边缘部位取0.75，由于模型中应力较大点均靠近节点，故取为0.75；R为膜材抗力分项系数，第1类载荷效应组合时取为5.0，第2类载荷效应组合时取为2.5。对于第1类载荷效应组合，有：f=fkR=0.75 435=6.45N/mmmax=9.454N/mm 6.45 N/mm(4)故天线罩膜结构在第1类载荷效应组合下已不能满足规范要求的5倍安全系数，安全系数仅有3.4。22第39卷第3期孙小刚，等：整膜式金属桁架天线罩承载能力分析结构设计对于第2类载荷效应组合，有：f=fkR=0.75 432.5=12.9N/mmmax=22.383N/mm 12.9 N/mm(5)故天线罩膜结构在第2类载荷效应组合下不能满足规范要求的2.5倍安全系数，安全系数仅有1.4。基于上述安全性评估，膜结构己不能满足 膜结构技术规程 中相应的安全系数要求，建议采取以下维修、整改措施：1）更换膜材。考虑到膜材的采购、生产加工周期及当地施工条件限制等多重因素，建议尽快启动天线罩膜材更换的相关程序，以便在寿终前进行膜材更换工作。2）巡检措施。在膜材更换前，每半年对天线罩的膜面张力、破损情况进行巡检，并将巡检结果与本次测试结果进行对比分析，以实时掌握天线罩的工作状态。5.4钢骨架承载能力分析对于钢骨架，主要考察其杆件在载荷组合2 4下能否满足强度和稳定性要求。钢骨架杆件截面如图11所示。根据JGJ 72010空间网格结构技术规程表5.1.3规定11，单层网壳受压杆件和受拉杆件允许长细比分别为150和250。在此限制条件下对钢骨架的长细比进行复核，结果显示钢骨架杆件满足要求。杆件强度应力比如图12所示。由图12可知，钢骨架上部杆件应力比基本低于0.4，下部支座附近杆件应力比较大，应力比最大值为0.796，故钢骨架杆件强度应力比满足要求。壁厚1223149108壁厚142310974(a)上部杆件截面图(b)环墙杆件截面图图 11钢骨架杆件截面图图 12钢骨架杆件强度应力比6结束语文中以即将寿终的某大型整膜式金属桁架天线罩为例，对该类天线罩的承载能力进行了详细的分析评估。准确获取天线罩的初始状态是对其进行承载能力分析评估的基础和关键。针对该问题，文中详细介绍了金属骨架的整体形态、膜面预张力及膜材强度的检测方法，获得了详实的试验数据。在此基础上，通过有限元分析法对天线罩的膜结构和钢骨架的承载能力进行了详细分析。结果表明，钢骨架满足工作条件要求，而膜结构已不能满足 膜结构技术规程 中相应的安全系数要求，需要对其进行大修。参 考 文 献1 蓝天.中国空间结构七十年成就与展望 J.建筑结构,2019,49(19):510.2 张其林.膜结构在我国的应用回顾和未来发展J.工程质量,2014,32(5):2122.3 吴华东.某体育场看台膜结构安全性鉴定J.工程质量,2014,32(5):2122.4 徐晓晨,戴苏亚,顾叶青.大型张拉膜天线罩结构计算和实验验证J.复合材料科学与工程,2020(7):114116.5 王超,顾叶青,王晨.雷达天线罩结构设计方法的研究进展与展望J.电子机械工程,2015,31(6):15.6 操卫忠,胡长明,王立超.柔性蒙皮分块金属桁架天线罩技术J.现代雷达,2020,42(5):7680.7 操卫忠,任思杰,徐晓晨,等.柔性蒙皮分块金属桁架天线罩力学性能分析及蒙皮效应研究J.工业建筑,2020,50(2):130136.8 中国钢结构协会空间结构分会,北京工业大学.膜结构技术规程：CECS 158：2015S.北京:中国计划出版社,2015.9 中国国家标准化管理委员会.GB/T 6991999 优质碳素结构钢S.北京:中国标准出版社,1999.10 建筑结构荷载规范:GB 500092012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.11 北京市建筑设计研究院.空间网格结构技术规程:JGJ 72010S.北京:中国建筑工业出版社,2010.孙小刚男，1990年生，工程师，主要从事天线阵面结构设计工作。23