雷達(dá)天線抗沖擊仿真分析與輕量化設(shè)計(jì)

周　泓,莊文許,宋駿琛

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

雷達(dá)天線抗沖擊仿真分析與輕量化設(shè)計(jì)

周泓,莊文許,宋駿琛

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：針對某雷達(dá)系統(tǒng)天線輕量化設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行了惡劣環(huán)境下的抗沖擊仿真分析和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。利用動力學(xué)分析方法,在有限元軟件中建立了天線的仿真模型,將加速度沖擊譜時(shí)域曲線直接作用于天線的安裝件。計(jì)算得到天線在該沖擊譜作用下的沖擊響應(yīng),仿真結(jié)果顯示可減小天線結(jié)構(gòu)件的厚度尺寸,并對應(yīng)力較小的部位進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。對尺寸和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的天線再次進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明:優(yōu)化后的天線質(zhì)量減輕的30%,同時(shí)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足工作環(huán)境抗沖擊要求。

關(guān)鍵詞:抗沖擊；雷達(dá)系統(tǒng)；天線；輕量化

0引言

相對艦艇有一定距離的水下非接觸爆炸作用將引起艦艇突發(fā)的瞬態(tài)相對運(yùn)動,該運(yùn)動對艦艇而言就是沖擊載荷。沖擊載荷對艦總體、設(shè)備和船員的作用是較為惡劣的極限工作環(huán)境,通常比艦船搖擺、振動的設(shè)計(jì)更加嚴(yán)苛,需要在艦船研制時(shí)予以全面地考慮并對設(shè)備進(jìn)行良好地防護(hù)[1]。受裝艦要素限制,對某雷達(dá)提出了較高的輕量化設(shè)計(jì)要求,然而質(zhì)量的降低將帶來剛強(qiáng)度的降低,需對其各組成單元的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足裝艦要求。

在抗沖擊研究中,時(shí)域模擬法考慮各種非線性因素的影響,可以較真實(shí)地反映系統(tǒng)的動力學(xué)特征,應(yīng)用廣泛。汪玉等對一類船舶設(shè)備的限位器進(jìn)行抗沖擊剛度計(jì)算,并運(yùn)用帶間隙的彈簧單元逼近限位器的沖擊剛度,實(shí)現(xiàn)了非線性系統(tǒng)沖擊響應(yīng)模擬[2]。林道福等在總體坐標(biāo)系下建立了浮筏隔振系統(tǒng)的運(yùn)動方程,并采用直接積分法計(jì)算了在基礎(chǔ)沖擊激勵(lì)下的動力響應(yīng)[3]。

天線是艦載雷達(dá)系統(tǒng)的重要件,一般由線陣和骨架組成,在沖擊載荷作用下,受到自身質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力,產(chǎn)生沖擊響應(yīng)和變形。本文采用時(shí)域模擬法[4-5]對某艦載雷達(dá)系統(tǒng)天線的線陣進(jìn)行抗沖擊仿真計(jì)算和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。首先在有限元軟件中建立天線的完全仿真模型,將沖擊載荷時(shí)域沖擊譜作用于安裝骨架,獲得線陣的沖擊響應(yīng)和應(yīng)力,然后依據(jù)仿真結(jié)果減小結(jié)構(gòu)件的厚度尺寸,并對應(yīng)力較小的位置進(jìn)行減重設(shè)計(jì),最后對尺寸和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的線陣再次進(jìn)行抗沖擊仿真,驗(yàn)證其剛強(qiáng)度。結(jié)果表明,通過減小厚度尺寸和局部結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì),線陣的質(zhì)量降低了30%,剛強(qiáng)度滿足抗沖擊環(huán)境要求,對天線整體輕量化設(shè)計(jì)起到了良好的作用。

1問題描述

一類天線由線陣和骨架組成。線陣為長方體部件,其橫截面如圖1所示。線陣通過連接件安裝在骨架上形成陣列天線。某艦載雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。同類產(chǎn)品通常設(shè)計(jì)D≥3.5 mm,d≥2 mm,但質(zhì)量指標(biāo)不能滿足新產(chǎn)品的裝艦要求,因此需從尺寸和結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

本文對天線在極限沖擊環(huán)境下的動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析,根據(jù)初步獲得的剛強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。

圖1　線陣橫截面

圖2　天線組成圖

2問題求解與輕量化設(shè)計(jì)

2.1有限元模型

天線直接安裝在艦船的甲板上。采用動態(tài)分析的直接解法,沖擊載荷可等價(jià)于一種雙三角形時(shí)域曲線,通過骨架作用在線陣上。

按照天線實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,將螺紋孔、密封槽和倒角等細(xì)小的特征忽略,采用實(shí)體網(wǎng)格六面體單元。模型如圖3所示,分別建立線陣、連接件和骨架的零件模型并進(jìn)行裝配,將各零件接觸面之間建立綁定約束。材料的彈性模量E=72000 MPa,泊松比u=0.3,密度ρ=2.7×10-9t/mm3。

圖3　天線有限元模型

2.2邊界條件和載荷

在本分析中,邊界條件和載荷是一種位移運(yùn)動規(guī)律[5],作用在骨架的底面,見圖4中標(biāo)“沖擊載荷約束面”的4個(gè)面。

仿真結(jié)果包括沿垂向、橫向和縱向3個(gè)方向施加沖擊載荷的應(yīng)力、應(yīng)變。依據(jù)文獻(xiàn)[6-7],安裝區(qū)域的設(shè)計(jì)沖擊譜如表1所示。該加速度可以用雙三角形時(shí)域曲線表示,如圖5所示。計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中,A0、V0和D0為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。計(jì)算得3個(gè)方向時(shí)域沖擊曲線的參數(shù)如表2所示。

表1　安裝區(qū)域隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖擊譜

圖5　雙三角形時(shí)域曲線

表2　安裝區(qū)域減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖擊時(shí)域曲線參數(shù)

本文采用顯式動力學(xué)方法,將該加速度時(shí)域曲線直接作用于沖擊載荷約束面上,計(jì)算獲得3個(gè)方向的動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果。

2.3仿真結(jié)果

初步設(shè)計(jì)D=4 mm,d=2 mm,計(jì)算獲得天線分別在3個(gè)方向沖擊載荷作用下的應(yīng)力、位移分布時(shí)變過程,應(yīng)力最大產(chǎn)生在垂向載荷作用下。該時(shí)刻的應(yīng)力、位移仿真結(jié)果云圖如圖6～7所示。圖6為應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力約為69.1 MPa,發(fā)生在線陣與連接件的連接處。圖7為位移云圖,模型上的最大位移為8.18 mm,最小位移為0.69 mm,相對變形量為7.49 mm。

天線所選用材料抗拉強(qiáng)度為σb=231 MPa。根據(jù)抗沖擊試驗(yàn)大綱,沖擊作用下應(yīng)力應(yīng)小于所選材料抗拉強(qiáng)度的90%,即208 MPa。因此,可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì),如減小壁厚、局部減重等。

圖6　初步設(shè)計(jì)應(yīng)力最大時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖

圖7　初步設(shè)計(jì)應(yīng)力最大時(shí)刻的位移分布云圖

2.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

綜合考慮輕量化設(shè)計(jì)要求和工藝性,優(yōu)化設(shè)計(jì)D=2.5 mm,d=1.5 mm,并對線陣上應(yīng)力較小的部位減小局部材料,設(shè)計(jì)減重孔、槽等。對優(yōu)化了厚度尺寸和局部結(jié)構(gòu)的天線進(jìn)行相同的抗沖擊仿真分析,結(jié)果如圖8～9所示。圖8為應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力約為71.7 MPa,發(fā)生在線陣與連接件的連接處。圖9為位移云圖,模型上的最大位移為60.88 mm,最小位移為54.05 mm,相對變形量為6.83 mm。

綜上分析結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線滿足應(yīng)力和相對變形量的要求,但質(zhì)量降低約30%,對整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)具有較好的意義。

圖8　優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)力最大時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖

圖9　優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)力最大時(shí)刻的位移分布云圖

3結(jié)束語

針對某雷達(dá)系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)和抗沖擊性能設(shè)計(jì)要求,對天線進(jìn)行了抗沖擊仿真分析并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化了天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1) 建立了天線抗沖擊仿真的有限元模型,分析了天線在垂向、橫向和縱向沖擊載荷作用下的沖擊響應(yīng)和應(yīng)力分布。

(2) 根據(jù)仿真結(jié)果,對天線的厚度尺寸和局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重設(shè)計(jì),質(zhì)量減輕約30%,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的最大應(yīng)力約為71.7 MPa。該時(shí)刻天線的相對變形量約為6.83 mm,滿足使用需求。這為后續(xù)整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

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Anti-shock simulation and analysis and lightweight design of a radar antenna

ZHOU Hong, ZHUANG Wen-xu, SONG Jun-chen

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In view of the lightweight requirement of a radar antenna, the anti-shock simulation and analysis and structural lightweight design are done under severe environments. The simulation model of the antenna is built in the FEM software with the dynamics analysis methods, and the accelerated shock spectrum time-domain curves are directly applied on the mounting parts of the antenna. The shock response of the antenna under the shock spectrum is obtained through the calculation. The simulation results show that the thickness of the structural parts can be reduced and some parts with less stress can also be lightened. The optimized antenna is simulated and analyzed again. The results indicate that the antenna quality is reduced by about 30%, and at the same time the rigidity and strength of the structure satisfy the anti-shock requirement of the working environment.

Keywords:anti-shock; radar system; antenna; lightweight

收稿日期:2016-03-21；修回日期:2016-03-24

作者簡介:周泓(1970-),女,工程師,研究方向:機(jī)電一體化設(shè)計(jì)；莊文許(1985-),男,高級工程師,博士,研究方向:機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)；宋駿琛(1990-),男,助理工程師,碩士,研究方向:力學(xué)分析。

中圖分類號:TN957.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0053-03