大型重載雷達天線座結構設計與仿真分析

袁海平，杜春江

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

大型重載雷達天線座結構設計與仿真分析

袁海平，杜春江

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

文中結合某大型重載高精度相控陣雷達天線座的研發(fā)，探討了其關鍵的支承結構形式、組成和各部分的設計問題。對其中大型支承結構件支臂和轉臺應用拓撲優(yōu)化技術來提高結構剛度，并采用有限元軟件ANSYS對天線座整體結構進行建模和仿真分析。結果表明，天線座結構剛強度滿足設計要求。文中的設計、優(yōu)化和仿真分析方法可為類似的結構設計提供參考。

天線座；支承結構；大型重載；結構設計；仿真

引 言

天線座作為天線的支承和傳動裝置，在承受較大載荷的情況下，要達到一定的軸系精度，同時需帶動天線實現(xiàn)方位、俯仰二維運動。支承結構設計中結構的變形會影響雷達的精度及其傳動系統(tǒng)的設計，因此天線座必須具有足夠的剛度。本文針對用于某大型相控陣箱形天線的天線座，闡述其支承結構的設計。

1 雷達天線座結構

該雷達要求可搬遷，以滿足多站點工作，天線跨距約9 m，具有跨距大、重載及精度高的特點。天線座采用方位、俯仰型轉盤式結構[1]，分解為：俯仰部分(含天線)、支臂和方位部分3個運輸單元。各部分之間通過法蘭用螺栓聯(lián)接，銷釘定位，確保裝拆的定位精度，可滿足公路、鐵路運輸條件要求。天線座系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1 天線座系統(tǒng)布局

2 俯仰支承結構設計

俯仰支承結構(圖1)由俯仰部分和支臂組成，俯仰部分包括左右軸承及軸承座。為滿足天線運動范圍的需要，俯仰支承部分設計成支臂形式，從而將大跨距的陣面支承過渡到轉臺上。對8 m口徑的天線，從結構受力和位置布置考慮，采用兩根短軸焊接固聯(lián)于天線側面，兩端分別用轉盤軸承支承[2]，以提高支承部位的局部剛度。為滿足大型天線沿軸向的熱脹冷縮及繞度變形，右端研制允許軸向移動和調心的雙排滾柱式組合轉盤軸承，只承受徑向力；左端由于需安裝精密測角元件，選用三排滾柱式轉盤軸承，承受徑向力、軸向力和傾覆力矩。左、右軸承動圈與天線軸聯(lián)結，靜圈安裝于軸承座內(nèi)。軸承座為鑄造箱形結構，見圖2。

3 大型承力結構件支臂和轉臺的結構設計

大型承力結構件支臂和轉臺設計成焊接矩形截面箱型結構，其彎曲、扭轉剛度都較大，借助于拓撲優(yōu)化設計方法，獲得支臂、轉臺結構最佳布局形式，為結構詳細設計提供參考。

支臂、轉臺結構拓撲優(yōu)化模型如圖3所示。將其簡化為一個整體，考慮到結構的對稱性及優(yōu)化效率，對模型取其四分之一。圖中紅色區(qū)域作為優(yōu)化域，綠色和藍色區(qū)域為非優(yōu)化域。約束支臂、轉臺底端安裝軸承的部位，在天線中心位置創(chuàng)建一加載點，施加重力載荷(沿圖中Z負向)，通過剛性區(qū)域(忽略天線骨架的變形)方式將該點載荷傳遞到支臂頂端。

圖3 拓撲優(yōu)化模型

支臂、轉臺結構拓撲優(yōu)化結果如圖4所示。圖中材料保有率分布云圖顏色由灰向紅過渡表示材料的保有率逐漸增加，結構的最佳布置形式體現(xiàn)出來，材料向上下兩面聚集。在支臂頂端和底部與約束交界的地方內(nèi)部分布了一些加強筋結構，以提高結構總體剛度。

圖4 拓撲優(yōu)化結果

根據(jù)優(yōu)化結果構造的支臂、轉臺結構見圖5和圖6。

圖5 支臂結構

圖6 轉臺結構

4 方位支承結構設計

方位支承結構(圖1)由底座、轉臺和方位軸承等組成。轉盤式結構緊湊、合理，底座內(nèi)部可以有較大的空間，便于器件安裝。特別是軸向尺寸小，降低了轉動部分的重心，增強了天線座的穩(wěn)定性和車載轉場運輸?shù)陌踩浴?/p>

方位底座(圖7)為整個天線座的基礎，承受較大載荷，并要求具有較高的剛度和足夠的尺寸穩(wěn)定性，為此底座設計為鑄造成形的圓筒形結構，內(nèi)壁3層和若干輻射筋，以提高其抗彎、抗扭剛度。

方位支承采用高剛度且易實現(xiàn)高精度的三排滾柱式轉盤軸承，內(nèi)圈(動圈)聯(lián)結于轉臺底面，外圈(靜圈)安裝于底座內(nèi)。

圖7 方位底座

5 天線座支承結構的剛強度計算和分析

在以上優(yōu)化獲得的結構最佳布局的基礎上，結合工程實踐建立了天線座結構三維模型，采用有限元法對支承結構在典型工況下的剛強度進行了分析校核。

5.1 軸承剛度計算及簡化模型建立

天線座系統(tǒng)中共采用兩個三排滾柱式轉盤軸承和一個雙排滾柱式轉盤軸承進行連接和傳遞運動。根據(jù)軸承的真實尺寸建立其有限元模型，見圖8。進行剛度分析是目前解決軸承剛度問題的一條有效途徑。此處通過對軸承進行單獨建模、非線性有限元計算獲得其剛度特性，便于構造簡化模型，替代整體結構分析中的軸承模型，減小計算規(guī)模，提高求解效率。

圖8 俯仰軸承模型及應力應變

根據(jù)有限元分析結果，提取軸承受到的載荷與變形之間的關系，得到3種不同的軸承的剛度參數(shù)，如表1所示。

表1 軸承的剛度參數(shù)

利用上面獲得的軸承剛度參數(shù)，選取ANSYS中的剛度阻尼單元MATIX27來模擬軸承。

5.2 不同俯仰角狀態(tài)下的結構剛強度計算

在有限元分析軟件ANSYS中建立結構整體的有限元模型，以俯仰角0°狀態(tài)為例，如圖9所示。

圖9 結構整體有限元模型

其中天線骨架和支臂、轉臺部分結構采用殼單元模擬，底座和軸承座采用規(guī)則的六面體單元模擬[3]。天線骨架上采用均布的質量單元來模擬組件和調整整個天線骨架的重心位置，天線骨架與軸承座及轉臺與底座之間采用對應的剛度阻尼單元MATIX27模擬軸承連接，計算過程中約束了軸承軸向旋轉自由度和底座下表面的自由度。有限元模型的坐標系與幾何模型中的裝配坐標系相同，計算中采用的計量單位為質量t、長度mm、時間s，計算結果中應力單位為MPa，位移為mm。在此模型基礎上，分別對4種俯仰角狀態(tài)，結構在重力載荷作用下的剛強度問題進行了分析校核，見圖10～圖13。

圖10 0°整體變形、應力

圖11 30°整體變形、應力

圖12 60°整體變形、應力

圖13 90°整體變形、應力

從以上4種俯仰角狀態(tài)下天線座結構的剛強度計算結果來看，天線座中的應力、最大應力發(fā)生位置和變形分布情況基本一致，只是在數(shù)量上有些不同。隨著俯仰角度的增大，天線在重力方向上的剛度逐漸減弱，從而導致系統(tǒng)(含天線部分)整體最大位移值增大。拋開天線結構，作用在支臂上的載荷基本為天線施加在支臂上的Y向重力載荷和Z向傾覆力矩。從圖中可以看到，隨著俯仰角度的增大，支臂頂端所受Y向重力載荷變化較小，但由于天線骨架剛度的變化，導致Z向傾覆力矩逐漸增大，且變化幅度較大，兩種載荷對支臂位移的影響正好相反，從而導致支臂上的最大位移隨俯仰角度的增大而減小。由于Z向傾覆力矩的逐漸增大，使得作用在支臂上的綜合載荷增大，從而導致支臂上的最大應力值逐漸增大。

5.3 分析校核

天線俯仰角90°，天線座應力最大，位于支臂上，見圖13，最大應力為92.67 MPa，滿足Q345鋼板的強度(345 MPa)使用要求。計算得到俯仰角0°、30°、60°、90°下左右俯仰軸承Y向變形差90°最大，為0.09 mm，左右俯仰軸承之間距離為8 480 mm，得到變形后兩個軸承與水平線之間夾角為2.18″，在分配預計的軸系精度計算范圍內(nèi)，滿足要求。

6 結束語

本文通過對天線座支承結構的設計、工程計算、分析，使結構系統(tǒng)的力學性能最優(yōu)，系統(tǒng)具有結構緊湊、重量輕和剛強度好的特點。大型重載天線座系統(tǒng)合理分解運輸單元，滿足公路、鐵路運輸條件，對今后該類雷達天線座結構設計具有工程指導意義。

[1] 吳風高. 天線座結構設計[M]. 西安：西北電訊工程學院出版社, 1986.

[2] 王生洪, 龔振幫, 王世萍. 電子設備機械設計[M]. 西安：西北電訊工程學院出版社, 1986.

[3] 高德平. 機械工程中的有限元法基礎[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社, 1986.

袁海平(1965-)，男，高級工程師，主要研究方向為雷達結構設計及系統(tǒng)仿真。

杜春江(1979-)，男，高級工程師，主要研究方向為雷達結構設計及系統(tǒng)仿真。

Structure Design and Simulation of Antenna Pedestal for Large Scale and Heavy Duty Radar

YUAN Hai-ping，DU Chun-jiang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Key problems in the research of a large-scale heavy-duty high-precision phased array radar such as bearing structure type, system components constitution and components detailed design are discussed in this article. Structural topology optimization technique is used to enhance the structure stiffness during the design of large-scale bearing beam and azimuth pedestal. Antenna pedestal system modeling and simulation are carried out using FEA software ANSYS. Results show that the stiffness and strength of the antenna pedestal can satisfy the design requirement. The design, optimization and simulation method used in this article can provide reference for similar structure design.

antenna pedestal; bearing structure; large scale and heavy duty; structure design; simulation

2013-12-26

TH122

A

1008-5300(2014)02-0030-03