某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)平臺(tái)骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)

季漢忠

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)平臺(tái)骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)

季漢忠

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高機(jī)動(dòng)雷達(dá)平臺(tái)承載天線座及天線陣面等關(guān)鍵設(shè)備，其剛強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接影響雷達(dá)的使用安全性和測量精度。文中對某雷達(dá)平臺(tái)骨架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用有限元分析手段對骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，考察了應(yīng)力及變形指標(biāo)，針對局部應(yīng)力集中提出了優(yōu)化改進(jìn)措施。采用應(yīng)力測試方法對骨架的應(yīng)力進(jìn)行了測試評估，結(jié)果與有限元分析相符。

高機(jī)動(dòng)雷達(dá)；平臺(tái)骨架；有限元仿真；應(yīng)變測試

引 言

在車載高機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，平臺(tái)骨架的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)極為重要[1]。平臺(tái)骨架底部與車大梁相連，頂部安裝幾乎所有設(shè)備，如天線陣面、天線座、陣面倒豎機(jī)構(gòu)、冷卻源、電源、配電、伺服控制及電站等均集中于平臺(tái)骨架之上。而雷達(dá)配置有調(diào)平機(jī)構(gòu)與平臺(tái)骨架相連，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)平臺(tái)的快速調(diào)平[2]，平臺(tái)骨架與調(diào)平機(jī)構(gòu)的連接處是主要的受力部位。在平臺(tái)骨架設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮關(guān)鍵部位的應(yīng)力指標(biāo)。

另外，如果平臺(tái)骨架的變形超過許可值，會(huì)給雷達(dá)的指向帶來誤差，該誤差通過動(dòng)態(tài)水平儀等難以修正。因此，進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)以減小平臺(tái)骨架變形是平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一個(gè)考慮因素。平臺(tái)骨架作為車載高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的主要承力骨架[3]，是保證雷達(dá)整機(jī)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的關(guān)鍵。

從載車高機(jī)動(dòng)性方面考慮，整車重量越小，機(jī)動(dòng)性能越高，對運(yùn)輸限制及載車的承載限制的適應(yīng)性越好。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，采用有限元仿真優(yōu)化可以優(yōu)化平臺(tái)骨架重量。

本文從某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)平臺(tái)骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，采用有限元仿真分析手段對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了優(yōu)化，對平臺(tái)骨架的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，并采用應(yīng)變測試方法進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證測試，為后續(xù)平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足雷達(dá)的使用要求并便于設(shè)備的維修，雷達(dá)設(shè)備均安裝在平臺(tái)骨架上，平臺(tái)骨架再與載車采用旋鎖固定，形成一個(gè)運(yùn)輸單元。雷達(dá)平臺(tái)骨架的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

平臺(tái)骨架外形尺寸為9 300 mm × 1 850 mm × 350 mm。圖中箭頭所示為車頭方向，以車前進(jìn)方向?yàn)閰⒖迹?個(gè)支撐腿分別標(biāo)示為左前、左后、右前和右后。平臺(tái)骨架從前端往后依次安裝操作方艙、天線座及天線陣面、饋源、油源和電站等。

圖1 平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)

天線座及天線陣面總重4.1 t，集中安裝于平臺(tái)中部的圓環(huán)法蘭面上，而平臺(tái)上裝設(shè)備總重16.6 t，在支撐腿支撐后載荷集中作用在支撐腿上，因此圓環(huán)法蘭面和支撐腿與平臺(tái)骨架的連接部位是重點(diǎn)加強(qiáng)部位。

2 平臺(tái)骨架仿真優(yōu)化

由于雷達(dá)對平臺(tái)骨架有較高的剛強(qiáng)度要求，因此必須對平臺(tái)進(jìn)行力學(xué)分析和合理設(shè)計(jì)。圖2為初始設(shè)計(jì)的平臺(tái)有限元模型。其中，平臺(tái)骨架的各個(gè)C型梁采用梁單元建立，支撐腿簡化處理成剛性梁，天線座連接法蘭面采用實(shí)體單元建模。網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為189 506個(gè)，自重3.13 t。

圖2 平臺(tái)骨架的有限元模型

平臺(tái)在正常調(diào)平情況下，4條支撐腿均勻支撐在地面上，定義該工況為彎曲工況，計(jì)算時(shí)約束4條支撐腿的3個(gè)平動(dòng)自由度。在惡劣情況下，僅有3條支撐腿支撐，另一條懸空，平臺(tái)可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)，定義該工況為扭轉(zhuǎn)工況，計(jì)算時(shí)約束3條支撐腿的3個(gè)平動(dòng)自由度，釋放另一條支撐腿的所有自由度。所有載荷以集中質(zhì)量點(diǎn)的形式施加在平臺(tái)上。扭轉(zhuǎn)工況時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)工況時(shí)平臺(tái)應(yīng)力云圖

從結(jié)果來看，最大應(yīng)力494 MPa，較大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在平臺(tái)中部圓環(huán)與斜梁連接處、支撐腿與平臺(tái)的連接處以及邊梁的缺口處。由于應(yīng)力較大，需要對上述位置進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)。

采用拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合經(jīng)驗(yàn)校核的方法進(jìn)行迭代計(jì)算，對平臺(tái)進(jìn)行了如下的改進(jìn)：1)去除邊梁的缺口；2)邊梁及中間主梁截面高度由原來的250 mm增加到350 mm；3)圓環(huán)與邊梁及橫梁之間增加短梁連接；4)增大圓環(huán)梁的橫截面；5)優(yōu)化受力較小的梁的截面尺寸，優(yōu)化重量，最終平臺(tái)重2.67 t。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 平臺(tái)上表面的應(yīng)力分布

綜合各種工況，在扭轉(zhuǎn)工況時(shí)平臺(tái)骨架的受力情況最為惡劣，應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力290 MPa，最大變形62 mm，應(yīng)力分布狀況較均勻。而在彎曲工況時(shí)，平臺(tái)最大應(yīng)力在150 MPa以下，最大變形8.9 mm，符合設(shè)計(jì)要求。由于平臺(tái)設(shè)計(jì)采用瑞典SSAB鋼板公司DOMEX700特種鋼，其許用應(yīng)力達(dá)700 MPa以上，因此平臺(tái)是安全的。

值得說明的是，一般情況下，在進(jìn)行仿真優(yōu)化時(shí)需要考慮外界載荷，如風(fēng)載、雪載等[4]。本文為了與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行對比，圖4的計(jì)算結(jié)果未增加外界載荷。

3 平臺(tái)骨架應(yīng)力測試

經(jīng)平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元力學(xué)分析可知，在最惡劣工況下平臺(tái)骨架的最大應(yīng)力和最大變形符合使用要求。最惡劣工況發(fā)生在平臺(tái)調(diào)平時(shí)，由于調(diào)平千斤頂舉升工作的不同步，導(dǎo)致形成3點(diǎn)支撐的極端情況，此時(shí)平臺(tái)的應(yīng)力值最大。應(yīng)力測試的目的就是測試出最大應(yīng)力值，并與計(jì)算值作比較驗(yàn)證。

根據(jù)圖4的有限元分析結(jié)果，確定最大主應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域，從而確定測試點(diǎn)的數(shù)量和布局。從仿真結(jié)果來看，應(yīng)力較為集中的點(diǎn)主要出現(xiàn)在天線座圓環(huán)法蘭面的上下表面、右前腿及左后腿的上下平面。因此，應(yīng)力測試點(diǎn)布置時(shí)，在上述位置相對集中。整個(gè)平臺(tái)24個(gè)測點(diǎn)即可反映平臺(tái)骨架的應(yīng)力狀態(tài)，重點(diǎn)考察的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)布置見圖5。其中，圓環(huán)處測點(diǎn)編號(hào)為1～6，調(diào)平腿處測點(diǎn)編號(hào)為7～10。

圖5 應(yīng)變片布置圖

進(jìn)行應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)時(shí)，載荷的施加是根據(jù)設(shè)備上裝的質(zhì)量和質(zhì)心加裝模擬載荷，連同汽車底盤支撐起平臺(tái)骨架使車輪全部離地。在此情況下測試出最大主應(yīng)力和最大變形，其中最大變形出現(xiàn)在懸空支撐腿的位置。應(yīng)力測試結(jié)果如表1所示。

表1 應(yīng)力測試結(jié)果 MPa

測試結(jié)果顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1、6及10號(hào)測試點(diǎn)附近，為支撐腿與平臺(tái)骨架大梁連接點(diǎn)以及天線座安裝法蘭面與平臺(tái)骨架連接點(diǎn)，與計(jì)算結(jié)果相符。

4 結(jié)束語

平臺(tái)骨架屬于大型結(jié)構(gòu)件，是車載雷達(dá)中非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件，是保證電子設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。采用有限元仿真分析手段對平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足使用要求的情況下，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)形式和梁參數(shù)，并獲得了應(yīng)力和應(yīng)變分布，并通過實(shí)物應(yīng)力測試驗(yàn)證了仿真優(yōu)化的有效性，為后續(xù)平臺(tái)骨架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 孫戎. 某雷達(dá)承載平臺(tái)的有限元分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2004, 20(1): 30-32.

[2] 周勤. 雷達(dá)天線平臺(tái)高精度調(diào)平裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J]. 電子機(jī)械工程, 1999(5): 61-63.

[3] 沈明成, 嚴(yán)戰(zhàn)非, 宋君. 車載雷達(dá)中平臺(tái)骨架的制造工藝[J]. 電子機(jī)械工程, 2011, 27(3): 44-46.

[4] 楊紅軍, 李剛炎. 車載雷達(dá)天線平臺(tái)的負(fù)載特性及風(fēng)載穩(wěn)定性研究[J]. 機(jī)械制造, 2008, 46(2): 24-27.

季漢忠(1961-)，男，工程師，主要從事高機(jī)動(dòng)車載相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Optimization Design of Platform Framework for a Highly Mobile Radar

JI Han-zhong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The platform framework of highly mobile radar supports key equipment such as antenna pedestal and antenna array, its stiffness and strength optimization is very important and directly influences the use safety and measuring accuracy of radar. In this paper, optimization design for the platform framework of a highly mobile radar is carried out. Finite element method is used for simulation analysis of framework structure. The stress and deformation are evaluated, and optimizations are proposed for partial stress concentration. Then a stress test platform is applied to test the actual stress of the physical platform framework, the results agree with simulation.

highly mobile radar; platform framework; finite element analysis; strain test

2015-07-14

TN823+.27

A

1008-5300(2015)06-0033-02