某機載雷達掃描器結構設計*

鄒吾松，解金華

(1. 上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240；2. 中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術研究所， 江蘇 無錫 214063)

某機載雷達掃描器結構設計*

鄒吾松1，2，解金華1，2

(1. 上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240；2. 中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術研究所， 江蘇 無錫 214063)

機載雷達掃描器是個典型的伺服系統(tǒng)，通常要求其結構固有頻率高于伺服帶寬3～5倍。從結構穩(wěn)定性考慮，應避免在機載環(huán)境要求的低頻段著重考核點發(fā)生諧振。掃描器外形是一個細長的懸臂梁且零件種類和數量較多，提高其結構固有頻率有一定的難度。文中主要從提高整體結構剛度著手來提高掃描器的固有頻率，介紹了某機載雷達掃描器結構設計的過程，從總體架構、軸系設計、重要零件設計等方面進行了論述，利用Patran/Nastran軟件對其進行了模態(tài)分析，第1階響應頻率與樣機的響應測試結果較為接近。最終產品在振動試驗中優(yōu)良的穩(wěn)定性和交付后良好的表現表明，該掃描器對同類掃描器的結構設計具有借鑒意義。

雷達掃描器；結構設計；模態(tài)分析

引 言

機載雷達掃描器是一個高精度的機電一體化裝置，是實現雷達高精度跟蹤、制導的關鍵所在，它的主要功能是完成天線的掃描與定位以及微波功率和接收信號的傳輸等[1]。為保證雷達掃描器伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性,使穩(wěn)定裕度充足, 一般要求掃描器的結構固有頻率高于伺服系統(tǒng)頻率帶寬的3～5倍[2]。機載環(huán)境試驗對低頻段的考核要求較嚴格，特別是近幾年來，直升機類載機加裝了某類型雷達，其低頻段著重考核頻點更是對機載雷達掃描器的設計提出了更高的要求。提高機載雷達掃描器的固有頻率是解決上述2個問題的有效辦法。

文獻[3]～[5]分別從局部機構的剛度計算，成品的性能評估、理論和試驗模態(tài)分析等方面對機載雷達掃描器的固有頻率進行了研究。本文將從結構設計(包含總體架構設計、軸系設計、重要零件設計等)的角度，結合有限元軟件優(yōu)化技術，介紹了通過增強系統(tǒng)剛度但不增大轉動慣量來提高結構系統(tǒng)固有頻率的一個工程實例。

1 掃描器結構設計

機械掃描器從結構組成上通?？刹鸱譃楦┭鼋M件、方位組件、底座3大部分，天線直接與俯仰組件相連接，俯仰組件通過方位組件與掃描器底座組件相連[1]。下面將從總體架構、軸系設計和底座設計3方面進行論述。

1.1 總體架構

該掃描器的方位組件旋轉軸心和俯仰組件旋轉軸心采取正交配置，采用大框架作為主要零件組成方位組件，設計薄壁空腔式底座等來提高掃描器的剛度。電機布局時，采取將細長俯仰電機嵌入粗扁方位電機的方式形成緊湊化設計，通過使占旋轉部分質量比重高的驅動電機盡量靠近旋轉軸，使系統(tǒng)獲得更小的轉動慣量。右俯仰框架和右俯仰軸實行一體化設計，左俯仰框架和左俯仰軸通過螺釘連接，左右俯仰框架通過天線和配重塊連接成一封閉結構，這樣整個俯仰組件就獲得了很好的剛度。

1.2 軸系設計

掃描器方位、俯仰軸系如圖1所示。上方位軸和下方位軸固定在底座上，底座上的安裝孔和方位框架上的軸承安裝孔保持上、下方位軸的位置度和“握持”剛度。俯仰框架和俯仰軸之間的同軸度要求由方位框架上的軸承安裝孔保證。采取“大方位框架+粗短軸”的架構，大方位框架采用“籠”式+腹板結構，在獲得較輕重量的同時提供了較高的結構剛性，上下方位軸、俯仰框架、俯仰軸均采取短粗形式亦提高了這4個零件的結構剛度。

圖1 掃描器軸系布置圖

1.3 底座設計

底座承載了掃描器所有零部件，且為一懸臂結構。必須提高底座的剛度以保證掃描器的性能。由于機載環(huán)境的重量限制，底座采用“薄壁空腔”結構(類似于將飛機的桁架和蒙皮融為一體的結構)。經過不斷的優(yōu)化設計，用Patran/Nastran來計算校核最優(yōu)狀態(tài)的受力情況和振型。

在環(huán)境試驗要求的最大過載力作用下，底座變形如圖2所示。由于采用了“薄壁空腔”結構，在不需增加太多材料(重量)的情況下，底座就獲得了很高的剛度，且底座體積與掃描器體積比值高，這對整個系統(tǒng)固有頻率的提高有著直接的影響。經計算，底座的第1階、第2階固有頻率分別為481.5 Hz和840 Hz，1階振型如圖3所示。

圖2 掃描器底座法向受力變形圖

圖3 掃描器底座1階振型

2 模態(tài)分析

2.1 分析概述

在做動力學分析前，一般先進行模態(tài)振型及其對應固有頻率的分析。模態(tài)分析結果是分析對象動態(tài)響應時的基本形式，從中可以看出分析對象在動態(tài)載荷下是如何響應的。掃描器在激振力作用下的運動方程可以簡寫為：

式中：[M]是質量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移響應；{f}是激勵載荷。

模態(tài)疊加法的特點是預先求出天饋伺系統(tǒng)的模態(tài)，即按自然頻率和模態(tài)將完全耦合的通用運動方程轉化為一組獨立的非耦合方程[6]。通過對上式解耦，得到位移響應為不同矩陣的疊加公式。

2.2 有限元模型的建立

建立有限元模型需要真實地反映天線掃描器的結構特性，同時應控制模型規(guī)模以保證計算效率。本文從以下幾個方面對模型進行了簡化：忽略底座所有鑄造圓角及直徑 ≤ 3 mm的通孔和螺紋孔；忽略其他零件半徑 ≤ 2 mm的圓角和直徑 ≤ 3 mm的通孔和螺紋孔；所有螺釘簡化為RBE2單元連接，RBE2單元連接處用六面體網格建模；忽略所有彈墊、平墊。建立的整個天線掃描器的有限元網格模型的節(jié)點總數為320 548，單元總數為165 031。底座材料為ZL101A，軸承材料為GCr15，其余零件材料為鋁合金6061。按材料手冊進行彈性模量、泊松比、拉伸強度、密度等參數的賦值。邊界條件模擬實際工況，約束底座4個螺釘安裝孔的6個自由度。最后，通過Patran/Nastran軟件對模型檢查后進行求解。

2.3 模態(tài)計算結果

經過多次的局部優(yōu)化，得出了相對較優(yōu)的掃描器結構設計方案。運用Patran/Nastran軟件對安裝天線的掃描器動態(tài)性能進行仿真，計算出了天線掃描器前10階的固有頻率及對應頻率下文字描述的大概振型，見表1。圖4為天線掃描器的第1階模態(tài)振型圖。

表1 天線掃描器前10階固有頻率

圖4 天線掃描器第1階振型

3 產品測試驗證

按上述設計方案研制出掃描器，經過檢測、實際使用以及試驗試飛驗證，產品滿足設計指標要求，取得了良好的使用效果。如圖5所示，將加速度監(jiān)測傳感器置于底座最靠近天線的位置，成功監(jiān)測到了第1階底座彎曲振型，實測產品的第1階固有頻率為98.6 Hz，與仿真值115.1 Hz的誤差為14%，精度良好。其余前10階振型未出現在底座上，測試曲線也未出現明顯尖峰，雖然在413.9 Hz出現了帶寬較大的尖峰，但在此帶寬上，結構件受到的損傷較小。天線掃描器有著較高的第1階固有頻率，在振動試驗中，對外加載荷的響應較小，且掃描性能穩(wěn)定。

圖5 天線掃描器正弦掃頻響應測試曲線

4 結束語

研制的掃描器樣機響應測試以及在振動試驗中優(yōu)良的穩(wěn)定性和交付后良好的表現表明，在不增大轉動慣量的前提下，通過增強系統(tǒng)剛度來提高結構系統(tǒng)固有頻率是行之有效的。在掃描器結構總體設計上，將主體結構設計成剛度和穩(wěn)定性都非常好的結構，比如“大框架+粗短軸+大臂握持”的構型；在主要零件上，采用“籠”式或薄壁空腔式構型可以獲得優(yōu)異的結構剛度。文獻[3]和文獻[5]討論的都是機載掃描器的剛度，而沒有從產品結構設計與優(yōu)異構型融合的角度進行表述。這正是本文區(qū)別于它們的地方。然而，當天線的尺寸大到一定程度后，天線將成為整個結構系統(tǒng)剛度最薄弱的環(huán)節(jié)，此時可從增大系統(tǒng)阻尼系數的方向進行研究，以最終達到系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。

[1] 唐治安，陳澤彪，孫曉剛. 鈦合金在雷達掃描器結構設計中的應用[C]// 2007年機械電子學學術會議論文集. 昆明: 中國電子學會電子機械工程分會，2007.

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

[3] 洪長滿. 機載雷達天線座結構的剛強度性能評估[J]. 現代雷達，2011,33(6)：69-70.

[4] 段勇軍. 雷達天線座模態(tài)分析與試驗研究[J].機械設計與制造，2010,(2)：214-216.

[5] 顧吉豐. 驅動機構的剛度分析[J]. 現代雷達，2001,23(6)：69-70.

[6] 白崴，喻海良. 通用有限元分析ANSYS8.0基礎教程[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

鄒吾松(1983-)，男，工程師，主要從事機載雷達結構設計工作。

解金華(1979-)，男，高級工程師，主要從事機載雷達結構設計工作。

Structure Design of an Airborne Radar Scanner

ZOU Wu-song1,2，XIE Jin-hua1,2

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China；2.AVICLeihuaElectronicTechnologyResearchInstitute,Wuxi214063,China)

The airborne radar scanner is a typical servo system. It is usually required that the inherent frequency of its structure should be 3-5 times higher than the servo bandwidth. Considering the structural stability, resonance should be avoided at emphasized test point in low frequency required by the airborne environment. The scanner is a spindly cantilever and has a large number of and various kinds of components, so it is difficult to increase its structure inherent frequency. The overall structural rigidity is improved to enhance the inherent frequency of the scanner in this paper. The design process of the airborne radar scanner structure is introduced including the overall architecture, bearing design, important component design, etc. The modal analysis with Patran/Nastran is carried out, too. The first order response frequency approximates to the response test result of the prototype. The excellent stability in vibration test and good performance in application of the products after delivery indicate that the design is successful, which can provide reference for the structure design of similar scanners.

radar scanner; structure design; model analysis

2014-04-04

TN820.3

A

1008-5300(2014)05-0057-04