高機(jī)動(dòng)雷達(dá)載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化*

侯守武，王志海

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

高機(jī)動(dòng)雷達(dá)載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化*

侯守武，王志海

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中采用邊界位移補(bǔ)償法優(yōu)化某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)載車平臺(tái)多撐腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過調(diào)整撐腿的邊界位移，分析不同載荷工況下影響載車平臺(tái)強(qiáng)度的因素，優(yōu)化載車平臺(tái)撐腿調(diào)平方案，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化方案顯著提高載車平臺(tái)的強(qiáng)度性能，滿足雷達(dá)載車平臺(tái)風(fēng)載荷環(huán)境下的強(qiáng)度要求。

高機(jī)動(dòng)雷達(dá)；載車平臺(tái)；強(qiáng)度優(yōu)化；邊界位移補(bǔ)償法

引 言

高機(jī)動(dòng)車載雷達(dá)由于具有良好的機(jī)動(dòng)性能，被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域?qū)︼w行目標(biāo)的探測。隨著雷達(dá)天線跨度和高度的增加，高機(jī)動(dòng)雷達(dá)在惡劣的工作環(huán)境中承受風(fēng)載荷越來越大，風(fēng)載荷不僅對天線陣面精度產(chǎn)生較大的影響，而且對雷達(dá)載車的強(qiáng)度也提出更高要求。

許多學(xué)者研究了多種機(jī)動(dòng)雷達(dá)載車平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法來增強(qiáng)載車平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。文獻(xiàn)[1]利用有限元法分析了雷達(dá)載車風(fēng)載環(huán)境下的應(yīng)力，采用加筋和局部板加厚的方法降低了載車平臺(tái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力文獻(xiàn)[2]基于ANSYS軟件建立某雷達(dá)載車平臺(tái)有限元模型，對不同工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定了載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[3]對雷達(dá)車車架撐腿進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，保證剛強(qiáng)度的條件下進(jìn)行了輕量化研究。通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度薄弱區(qū)域，可有效降低結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力。本文針對某型高機(jī)動(dòng)雷達(dá)載車平臺(tái)多撐腿結(jié)構(gòu)，優(yōu)化撐腿調(diào)平方案，改變撐腿承力方式，在不改變載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的前提下提高載車的強(qiáng)度。

針對多撐腿雷達(dá)載車邊界條件難以模擬分析的情況，本文提出邊界位移補(bǔ)償法，模擬自重初始狀態(tài)撐腿調(diào)平的位移量，分析不同風(fēng)載工況下影響載車平臺(tái)強(qiáng)度的主要因素，優(yōu)化載車撐腿調(diào)平策略，數(shù)值仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有明顯提升，抗風(fēng)性能亦有大幅提高。

1 機(jī)動(dòng)雷達(dá)載車結(jié)構(gòu)模型

本文分析的高機(jī)動(dòng)雷達(dá)主要包括載車平臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、天線、背架、背撐等部件，鑒于本文主要關(guān)注的是載車平臺(tái)的強(qiáng)度，在建模時(shí)只對載車平臺(tái)進(jìn)行精細(xì)化建模，而轉(zhuǎn)臺(tái)、天線、背架、背撐等上裝部件則簡化為集中質(zhì)量，通過剛性單元與載車平臺(tái)連接。考慮風(fēng)載荷對載車平臺(tái)的影響，在風(fēng)力中心建立節(jié)點(diǎn)，采用剛性單元連接載車平臺(tái)。撐腿采用體單元模擬，腔體、肋板等用殼單元模擬，載車平臺(tái)上的機(jī)械和電子設(shè)備采用集中質(zhì)

量模擬。整個(gè)有限元模型包含了19674 個(gè)體單元、112 592 個(gè)殼單元和2 674 個(gè)質(zhì)量單元，共133 122 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1給出了載車平臺(tái)和上裝的簡化模型。為便于描述，將撐腿進(jìn)行了編號(hào)，其中撐腿1～4為主撐腿，5～14為輔助撐腿。

圖1 載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型

2 載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響因素分析

2.1 載車平臺(tái)自重工況分析

載車平臺(tái)自重工況為天線位于工作位置時(shí)的初始狀態(tài)，此時(shí)僅主撐腿1、2、3、4起支撐作用，輔助撐腿初始接地，其在重力作用下的變形如圖2所示。

圖2 自重工況載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)變形

撐腿編號(hào)位移/mm1，203，405，6-16．87，84．09，10-18．311，12-15．113，14-0．5

由表1中的計(jì)算結(jié)果可知，自重工況下，輔助撐腿5、6、9、10、11、12、13、14豎直方向位移為負(fù)，表明相對于初始模型，以上撐腿發(fā)生下移，而撐腿7和8上抬。為模擬自重工況載車平臺(tái)的姿態(tài)及撐腿的結(jié)構(gòu)和姿態(tài)，傳統(tǒng)做法是在撐腿上增刪單元或調(diào)整單元節(jié)點(diǎn)位置[4]。但該方法在分析撐腿邊界位移對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響時(shí)需不斷更改單元模型，從而使計(jì)算成本增加。本文利用邊界位移補(bǔ)償法能夠簡化分析過程，即根據(jù)載車平臺(tái)在初始工況下的撐腿位移確定風(fēng)載環(huán)境的邊界條件，以補(bǔ)償邊界位移保證載車平臺(tái)的姿態(tài)，通過重新定義邊界條件避免了模型修改的過程。

2.2 不同風(fēng)載工況下載車平臺(tái)強(qiáng)度分析

通過計(jì)算不同風(fēng)向作用時(shí)載車平臺(tái)的強(qiáng)度，找出結(jié)構(gòu)應(yīng)力薄弱區(qū)域，分析影響應(yīng)力的關(guān)鍵因素，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。本文分析恒定風(fēng)載為12 噸，風(fēng)向分別為0 °、90°、180°典型工況下的載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3～圖5分別給出了風(fēng)向?yàn)?°、90°、180°時(shí)載車平臺(tái)的變形分布和應(yīng)力較大區(qū)域的應(yīng)力分布。由圖可知，風(fēng)載沿0°方向時(shí)，轉(zhuǎn)盤前側(cè)的主承重梁向下彎曲，主撐腿3和4 根部的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力560 MPa；風(fēng)載沿90°方向時(shí)，中間輔助撐腿彎曲變形較大，輔助撐腿9和10根部的上下表面應(yīng)力較大，最大應(yīng)力479 MPa；風(fēng)載沿180°方向時(shí)，轉(zhuǎn)盤后側(cè)的主承重梁向下彎曲，輔助撐腿7和8 根部及主承力梁彎曲過渡處應(yīng)力較大，最大應(yīng)力529 MPa。

圖3 風(fēng)載沿0°方向時(shí)載車平臺(tái)的變形和局部應(yīng)力分布圖

圖4 風(fēng)載沿90°方向時(shí)載車平臺(tái)的變形和局部應(yīng)力分布圖

圖5 風(fēng)載沿180°方向時(shí)載車平臺(tái)的變形和局部應(yīng)力分布圖

2.3 支撐腿邊界對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響分析

根據(jù)載車平臺(tái)在不同工況下的變形和應(yīng)力分布特點(diǎn)，調(diào)整靠近載車平臺(tái)變形的輔助撐腿邊界位移，分析輔助撐腿邊界位移的變化對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知，0°方向風(fēng)載時(shí)，轉(zhuǎn)盤前側(cè)的主承重梁向下彎曲，主撐腿3和4根部的應(yīng)力較大，對結(jié)構(gòu)變形應(yīng)力影響較大的是撐腿3、4、5，6，13和14； 90°方向風(fēng)載時(shí)，中間輔助撐腿的變形和應(yīng)力較大，對變形和應(yīng)力影響較大的是腿5、6、9和10； 180°方向風(fēng)載時(shí)，轉(zhuǎn)盤后側(cè)的主承重梁向下彎曲，輔助撐腿7和8根部及主承力梁彎曲過渡處應(yīng)力較大，對結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力影響較大的是腿3、4、5、6、7、8、9和10。由于主撐腿兼具調(diào)平作用，在對撐腿影響因素分析時(shí)，僅考慮輔助撐腿邊界位移變化對載車平臺(tái)應(yīng)力的影響。表2給出了不同方案下載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。

表2 不同方案各工況下?lián)瓮冗吔缱兓瘯r(shí)載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，0°風(fēng)載時(shí)，對最大應(yīng)力影響較大的是輔助撐腿13和14，180°風(fēng)載時(shí)，對應(yīng)力影響較大的是輔助撐腿5和6；輔助撐腿5和6邊界位移上移，可有效降低180°風(fēng)載時(shí)的最大應(yīng)力，但同時(shí)會(huì)增大0°和90°風(fēng)載時(shí)的最大應(yīng)力。

3 載車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化

通過分析輔助撐腿邊界位移的變化對風(fēng)載環(huán)境下載車平臺(tái)強(qiáng)度的影響，確定采用的輔助撐腿邊界方案為：撐腿5和6邊界位移上移6 mm，撐腿9和10邊界位移上移10 mm，撐腿13和14上移2 mm。

以優(yōu)化后的位移作為風(fēng)載工況下的邊界條件，不同風(fēng)載下的計(jì)算結(jié)果見圖6～圖8。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，風(fēng)載沿0°方向時(shí)，最大應(yīng)力401 MPa，位于與主撐腿3和4相連的主梁側(cè)板；風(fēng)載沿90°方向時(shí)，最大應(yīng)力452 MPa，位于輔助撐腿9根部的上下表面；風(fēng)載沿180°方向時(shí)，最大應(yīng)力463 MPa，較大的應(yīng)力分布于輔助撐腿7和8根部及主承力梁彎曲過渡處。

圖6 風(fēng)載沿0°方向時(shí)載車平臺(tái)的變形和局部應(yīng)力分布圖

圖7 風(fēng)載沿90°方向時(shí)載車平臺(tái)的變形和局部應(yīng)力分布圖

圖8 風(fēng)載沿180°方向時(shí)載車平臺(tái)的變形和局部應(yīng)力分布圖

對比載車平臺(tái)在優(yōu)化前后邊界位移下的變形和應(yīng)力分布圖可知，相同風(fēng)載工況下，載車平臺(tái)的變形和應(yīng)力較大的區(qū)域分布位置相似，最大變形和應(yīng)力均有不同程度的降低，0°風(fēng)載時(shí)最大應(yīng)力降低了28.4%，90°風(fēng)載時(shí)最大應(yīng)力降低了5.6%，180°風(fēng)載時(shí)最大應(yīng)力降低了12.5%。載車平臺(tái)的最大應(yīng)力為463 MPa，對于高強(qiáng)鋼Domex700，可以實(shí)現(xiàn)1.5的安全系數(shù)。

4 結(jié)束語

本文提出邊界位移補(bǔ)償法，以高機(jī)動(dòng)雷達(dá)載車自重時(shí)的撐腿變形作為風(fēng)載工況下的邊界位移，分析了不同風(fēng)載工況下載車撐腿位移變化對載車平臺(tái)強(qiáng)度的影響，確定了一套載車輔助撐腿的調(diào)平方案，通過對比優(yōu)化前后的變形和應(yīng)力，得到以下結(jié)論：

1)采用優(yōu)化的調(diào)平方案，相同風(fēng)載工況下的應(yīng)力和變形均有不同程度的下降，最大應(yīng)力至少降低了5.6%；

2)優(yōu)化的調(diào)平方案顯著降低了載車平臺(tái)的變形和應(yīng)力大小，但不影響載車平臺(tái)的變形和應(yīng)力分布區(qū)域，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)同樣適用于本文優(yōu)化的調(diào)平方案。

[1] 侯健. 有限元建模技術(shù)研究及雷達(dá)車天線結(jié)構(gòu)有限元分析[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2010.

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[3] 佘高翔. 基于拓?fù)鋬?yōu)化和高強(qiáng)鋼應(yīng)用的雷達(dá)車車架輕量化設(shè)計(jì)研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2010.

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侯守武(1980-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真與試驗(yàn)工作。

The Strength Analysis and Optimization of the High Mobility Radar Vehicle

HOU Shou-wu，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In this paper, the boundary displacement compensation method is used to optimize the multi-support-leg of a high mobility radar vehicle platform. By modifying the boundary displacements of the supporting legs, main factors affecting the strength of vehicle platform are analyzed under different load conditions , leveling scheme of support-leg is optimized to improve the structure strength. Numerical results show that the optimized scheme is an effective method for enhancing the strength of vehicle platform. The vehicle platform with optimized leveling scheme can meet the strength requirements in wind load environment.

high mobility radar; vehicle platform; strength optimum; boundary displacement compensation method

2016-03-22

TH123+.3

A

1008-5300(2016)03-0060-04