某車載雷達天線骨架結構的優(yōu)化設計

楊 靜，王志海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某車載雷達天線骨架結構的優(yōu)化設計

楊 靜，王志海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

天線骨架是車載雷達天線系統(tǒng)的主承力結構，除剛強度需滿足設計要求外，其重量也應滿足車載雷達的機動性要求。文中利用有限元軟件，對工作條件下某車載雷達的天線骨架結構進行了模態(tài)分析以及自重、風載和溫度載荷等靜力分析，并根據(jù)天線骨架構型的拓撲優(yōu)化結果、應力和變形的計算結果、骨架結構形式以及力的傳遞方式對天線骨架進行了優(yōu)化設計。仿真結果表明，優(yōu)化后的骨架在重量減小的同時，剛強度也得到了一定程度的提高。該研究結果可為大陣面高負載天線骨架的輕量化設計提供技術支撐。

天線骨架;有限元;剛強度;拓撲優(yōu)化;優(yōu)化設計

引 言

車載雷達天線系統(tǒng)是車載雷達工作的核心部件，負責雷達信號的發(fā)送和接收[1]。在自然環(huán)境下，影響車載雷達天線穩(wěn)定性和機動性的因素主要有風載、慣性、自重和溫度載荷等[2]。天線骨架是天線結構系統(tǒng)中的一個重要承載部件,為保證車載雷達系統(tǒng)滿足使用精度、安全性和機動性要求，天線骨架應在結構性能和重量之間達到平衡[3]。

有限元仿真作為一種輔助工程設計的有效手段,不僅可對產(chǎn)品結構進行剛強度分析,及時發(fā)現(xiàn)并改正結構設計中的問題, 縮短產(chǎn)品的設計周期，也可與優(yōu)化方法結合，對產(chǎn)品進行輕量化設計，因而在航空航天雷達結構設計領域得到了廣泛應用[3-4]。

某車載雷達天線陣面主要由天線骨架、互聯(lián)加強結構和陣面基本模塊組成，陣面工作狀態(tài)覆蓋范圍為20°～70°，天線骨架由方管焊接而成。本文利用有限元軟件，對某車載雷達天線骨架結構進行了剛強度分析，并結合載荷傳遞路徑和拓撲優(yōu)化結果，對天線骨架結構進行了優(yōu)化。

1 有限元模型

前處理采用Hypermesh軟件，計算和后處理軟件采用ABAQUS。選取天線陣面70°構型進行分析，建立的有限元模型如圖1所示。天線骨架和分塊互連軸承采用梁單元模擬，分塊互連加強結構采用殼單元模擬，天線單元和其它負載采用質(zhì)量單元形式施加，油缸支撐點區(qū)域為全約束。天線骨架材料為高強鋼Q345E，材料參數(shù)見表1。

圖1 有限元模型

表1 材料參數(shù)

2 仿真分析結果

2.1 模態(tài)分析

對天線骨架進行模態(tài)分析，得到前5階固有頻率和振型, 如圖2所示。從圖2可以看出，前5階的振型主要為扭動和擺動。

圖2 天線骨架前5階模態(tài)分析結果

2.2 靜力分析

該雷達天線系統(tǒng)涉及的載荷主要有自重、風載和溫度載荷。自重載荷包括骨架自重、設備和陣面模塊等重量；風載荷包括正面吹風和背面吹風2種情況，按極限狀態(tài)風速33 m/s進行計算；溫度載荷為環(huán)境溫度與設計安裝溫度之差，按照極限情況考慮，采用溫差60 ℃進行計算。

對自重、風載和溫度載荷共同作用下的天線骨架進行剛強度分析，圖3和圖4分別給出了自重+正面吹風+溫度載荷、自重+背面吹風+溫度載荷2種情況下天線骨架的應力和變形。從圖3和圖4可以看出：正面吹風、背面吹風時, 天線骨架的應力和變形分布趨勢類似，天線骨架邊部變形較大，支撐桿作用位置附近區(qū)域應力較大；正面吹風時天線骨架的最大應力為342MPa，背面吹風時天線骨架的最大應力為297 MPa，Q345E鋼的屈服極限為345 MPa，安全系數(shù)取1.5時，天線骨架強度不能滿足設計要求。

圖3 自重+正面吹風+溫度載荷作用下天線骨架的變形和應力分布情況

圖4 自重+背面吹風+溫度載荷作用下天線骨架的變形和應力分布情況

3 優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化設計依據(jù)

本文對天線骨架優(yōu)化的依據(jù)源于2點考慮：一是根據(jù)支撐桿的作用位置，進行傳遞路徑優(yōu)化設計，初步的拓撲優(yōu)化結果如圖5所示；二是天線骨架的應力分布及骨架的結構形式，從圖3和圖4可以看出，支撐桿作用位置附近區(qū)域應力較大，結合天線骨架的結構形式及力的傳遞方式，在平板框架中形成主骨架，作為支撐骨架。

圖5 初步拓撲優(yōu)化結果

基于以上考慮，將初始的全部方管改成主骨架方管截面加大、次要截面減小的方式，通過主輔骨架的結構形式來提高骨架整體的剛強度，優(yōu)化后的骨架形狀如圖6所示，類似于樹狀結構。

圖6 優(yōu)化后的骨架形狀

3.2 優(yōu)化后的結果

對優(yōu)化后的天線骨架分別進行模態(tài)、自重+風載+溫度載荷分析。計算結果表明，優(yōu)化后的天線骨架的基頻有所提高，并且在自重+風載+溫度載荷作用下天線骨架的應力和變形均有所減小，如圖7和圖8所示，優(yōu)化后的天線骨架最大應力和最大變形分別為229 MPa和40 mm，強度和剛度均滿足設計要求。

圖7 自重+正面吹風+溫度載何作用下優(yōu)化后天線骨架的變形和應力分布情況

圖8 自重+背面吹風+溫度載何作用下優(yōu)化后天線骨架的變形和應力分布情況

表2給出了天線骨架優(yōu)化前后的應力、變形和重量的比較結果，從表2可以看出，天線骨架結構經(jīng)優(yōu)化后，剛強度均滿足設計要求，并且重量略有降低。

表2 天線骨架結構優(yōu)化后的強度、剛度和重量變化

4 結束語

借助于有限元仿真，可對工作狀態(tài)下的天線骨架剛強度進行分析，其結果可以用于指導天線骨架結構設計,縮短設計周期。本文根據(jù)天線構型的初步拓撲優(yōu)化結果、天線骨架的應力分布和力的傳遞途徑以及天線骨架的結構形式，提出了采用主輔骨架的形式對初始骨架結構進行優(yōu)化設計。仿真結果證明，優(yōu)化后的骨架結構剛強度優(yōu)于初始骨架，并且重量有所減輕。該研究結果可為大陣面高負載天線骨架的輕量化設計提供技術支撐。

[1] 吳佳. 某車載雷達天線結構分析[J]. 雷達與對抗, 2010, 30(4): 59-62.

[2] 伍勇軍, 肖佩, 楊紅軍，等. 基于ABAQUS的車載雷達天線模態(tài)分析[J]. 機械, 2007, 34(11): 26-27.

[3] 賀李平. 機載SAR天線座連接支架的拓撲優(yōu)化設計[J]. 電子機械工程, 2014, 30(1): 52-53.

[4] 王恒海，邵奎武. 星載雷達發(fā)射機支撐架結構優(yōu)化設計及動力學分析[J]. 電子機械工程, 2011, 27(1): 39-43.

楊 靜(1982-)，女，博士，工程師，主要從事結構力學仿真研究工作。

Optimization Design for the Antenna Frame Structure of a Vehicle-borne Radar

YANG Jing，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The antenna frame is the primary structure of the vehicle-borne radar antenna system. Its stiffness and strength should meet the design requirement. Its weight should also satisfy the mobility requirement of the vehicle-borne radar. The modal analysis and static analysis (such as gravity, wind force and temperature) are performed for the antenna frame of a vehicle-borne radar under work conditions by finite element software in this paper. The antenna frame is optimized according to the topological optimization results, stress and deformation analysis results, the antenna frame structure and the force transfer mode. The simulation results show that the optimized antenna frame has better stiffness and strength while becoming lighter. This study result can provide technical support for light-weight design of the large-area and high-load antenna frame.

antenna frame; finite element; stiffness and strength; topological optimization; optimization design

2014-09-03

TN82

A

1008-5300(2015)02-0052-03