某天線(xiàn)骨架的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬

宋駿琛,吳 佳,李維忠,莊文許

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

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某天線(xiàn)骨架的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬

宋駿琛,吳 佳,李維忠,莊文許

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

針對(duì)某天線(xiàn)骨架減重優(yōu)化的設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行了極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析。在workbench軟件中建立骨架的三維有限元模型。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,依據(jù)軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),用時(shí)域瞬態(tài)分析法對(duì)其進(jìn)行了3方向的沖擊分析,算例數(shù)值模擬結(jié)果顯示可以對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行減重優(yōu)化。優(yōu)化后的骨架質(zhì)量減輕了25%,對(duì)減重后的骨架再次進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明應(yīng)力變形響應(yīng)均在材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi),滿(mǎn)足抗沖擊環(huán)境要求。

雷達(dá);天線(xiàn)骨架;workbench;減重優(yōu)化;動(dòng)力學(xué)

0 引 言

作為雷達(dá)天線(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件,骨架起到了至關(guān)重要的作用。非接觸水下爆炸是艦船主要的沖擊環(huán)境來(lái)源,艦船上的天線(xiàn)骨架遭受沖擊可導(dǎo)致無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn),甚至整個(gè)雷達(dá)失去戰(zhàn)斗力。隨著水中兵器的發(fā)展,爆炸沖擊持續(xù)時(shí)間會(huì)明顯地增加,艦艇及其天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備遭受的威脅越來(lái)越嚴(yán)重。所以,增強(qiáng)艦船雷達(dá)天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的抗沖擊性能已成為新型艦船的迫切需要[1]。

受整機(jī)質(zhì)量的限制,天線(xiàn)系統(tǒng)的骨架質(zhì)量會(huì)受到一定的約束,有必要對(duì)骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。然而,質(zhì)量的降低會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度性能的下降。所以,選擇合適的減重方式對(duì)整個(gè)骨架剛強(qiáng)度性能的保證極其重要。

1 振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

在NX軟件中對(duì)骨架進(jìn)行三維建模。圖1為骨架三維模型。忽略螺紋孔、倒角、密封槽等對(duì)算例結(jié)果影響微小的細(xì)節(jié)特征,對(duì)底面法蘭盤(pán)及斜面等各零件模型進(jìn)行裝配,接觸面之間采用綁定約束。采用實(shí)體網(wǎng)格四面體單元(mesh200)進(jìn)行劃分。材料的密度ρ=2770 kg/m3,泊松比μ=0.33,楊氏模量E=71000 MPa。

圖1 初步設(shè)計(jì)的骨架三維模型

2 數(shù)值算例分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型。它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),同時(shí)也是瞬態(tài)響應(yīng)分析、諧響應(yīng)分析等動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)[2]。對(duì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析也是進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等所必需的前期分析過(guò)程。根據(jù)彈性力學(xué)理論[3],動(dòng)力學(xué)微分方程為

(1)

式中,M、C、K分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣;X(t)、F(t)分別為位移向量和外加載荷,即激振力向量。一般的模態(tài)分析為不受任何附加載荷的無(wú)阻尼自由振動(dòng)分析,故這里C、F(t)都為零。得出來(lái)的方程為

(2)

這里設(shè)方程的解為簡(jiǎn)諧振動(dòng),再根據(jù)對(duì)應(yīng)的特征方程和考慮到自由振動(dòng)時(shí)振幅不全為零的情況,得出下式:

(3)

方程的解wi為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率。利用模態(tài)分析模塊進(jìn)行迭代求解,求得骨架模態(tài)云圖。根據(jù)工作頻率在100 Hz以?xún)?nèi)的設(shè)計(jì)要求,對(duì)底面螺紋孔處進(jìn)行約束,取前四階模態(tài)進(jìn)行分析。

骨架的第一階模態(tài)為40.91 Hz,第二階模態(tài)為41.50 Hz,第三階模態(tài)為46.96 Hz,第四階模態(tài)為56.43 Hz,有效模態(tài)質(zhì)量為0.31 t。

2.2 沖擊分析

在本算例中,約束載荷為底面螺紋孔。依據(jù)文獻(xiàn)[4-5],安裝區(qū)域的沖擊響應(yīng)譜如下所示:

式(4)中的A0、V0和D0分別是模型對(duì)應(yīng)的沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。加速度可用雙三角時(shí)域曲線(xiàn)如圖2表示。計(jì)算得到的3方向時(shí)域沖擊參數(shù)如表1所示。

表1 沖擊響應(yīng)譜

圖2 等效的雙三角形時(shí)域曲線(xiàn)沖擊條件

算例使用時(shí)域瞬態(tài)分析法[6],將所對(duì)應(yīng)方向的沖擊譜分別作用于垂向、縱向、橫向3方向上,計(jì)算3方向沖擊載荷作用下的應(yīng)力和變形。

由圖3得到骨架垂向的最大應(yīng)力為120.98 MPa,出現(xiàn)在中立柱與底部縱梁連接處;橫向沖擊時(shí)最大應(yīng)力為29.5 MPa,出現(xiàn)在中部插箱吊耳處;縱向沖擊時(shí)最大應(yīng)力為79.64 MPa,出現(xiàn)在前部左橫梁與立柱連接處。骨架垂向最大變形為1.04 mm,出現(xiàn)在底部橫梁處;橫向最大變形為1.29 mm,出現(xiàn)在面陣骨架前部縱橫梁交界處;縱向最大變形為1.53 mm,出現(xiàn)在左部插箱吊耳處。

圖3 初步設(shè)計(jì)的骨架3方向應(yīng)力云圖

骨架材料為鋁型材,屈服強(qiáng)度σs=145 MPa,抗拉強(qiáng)度σb=245 MPa。沖擊作用下的應(yīng)力均小于材料強(qiáng)度的90%,但整個(gè)天線(xiàn)骨架質(zhì)量超出設(shè)計(jì)要求。因此,有必要對(duì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),可采用局部摳孔、降低壁厚等方式。

3 結(jié)構(gòu)減重與數(shù)值分析

綜合考慮結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)要求及工藝性,由算例結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨架的斜板、斜梁及底面法蘭盤(pán)應(yīng)力較小,故對(duì)此3處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),具體如圖4、5、6所示。

圖4 減重前后的局部斜梁及剖視圖

圖5 減重前后的局部底面法蘭盤(pán)

圖6 減重前后的局部斜板

為了增加天線(xiàn)單元走線(xiàn)空間同時(shí)進(jìn)行局部減重,將3根斜梁進(jìn)行局部開(kāi)槽處理;在底面法蘭上增加了一定深度的呂字形減重槽;在斜板處設(shè)計(jì)了相應(yīng)的減重孔、槽等,減重約25%。

采用和原數(shù)值分析相同的邊界條件,再次對(duì)減重后的骨架進(jìn)行模態(tài)分析和沖擊響應(yīng)分析,按照同樣的方式對(duì)底面螺紋孔進(jìn)行約束,采用實(shí)體網(wǎng)格四面體單元(mesh200)進(jìn)行劃分。

表2 減重前后固有頻率的變化

通過(guò)減重前后固有頻率的對(duì)比,可以看出減重后的前四階固有頻率相對(duì)減重前有不同程度的降低,但變化幅度不大,均在10%以?xún)?nèi)。

圖7 減重設(shè)計(jì)后的骨架3方向應(yīng)力云圖

根據(jù)減重后模態(tài)分析的結(jié)果得出骨架的有效模態(tài)質(zhì)量約為0.3 t,由圖7得到減重后沖擊載荷作用下骨架垂向的最大應(yīng)力為127.5 MPa,出現(xiàn)在中立柱與底部縱梁連接處;橫向沖擊時(shí)最大應(yīng)力為31.3 MPa,出現(xiàn)在75°斜面直角處;縱向沖擊時(shí)最大應(yīng)力為86.2 MPa,出現(xiàn)在前部左橫梁與立柱連接處。最大應(yīng)力仍小于型材屈服強(qiáng)度σs=145 MPa,抗拉強(qiáng)度σb=245 MPa。骨架垂向垂向沖擊時(shí)最大變形為1.07 mm,出現(xiàn)在右部上端橫梁處;橫向沖擊時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.34 mm,出現(xiàn)在面陣左上端角處;縱向沖擊時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.54 mm,出現(xiàn)在左部插箱吊耳處。

表3 減重前后最大應(yīng)力的變化

表4 減重前后最大變形的變化

由表3的對(duì)比結(jié)果可發(fā)現(xiàn),減重后的最大應(yīng)力均有所增大,但變化幅度不大,說(shuō)明質(zhì)量減小后的骨架雖剛性變?nèi)?承受沖擊載荷的能力有所降低,但最大應(yīng)力值小于該骨架材料強(qiáng)度的90%。由表4可知減重前后最大變形變化率微小,說(shuō)明減重后的骨架結(jié)構(gòu)仍滿(mǎn)足抗沖擊的條件,相對(duì)減重前減輕了25%,對(duì)整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)提供了有力支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先用NX軟件對(duì)整個(gè)天線(xiàn)骨架進(jìn)行三維建模,后導(dǎo)入workbench后處理模塊中,對(duì)骨架進(jìn)行模態(tài)分析,得出前四階固有頻率及振型,得到了骨架的有效模態(tài)質(zhì)量。采用時(shí)域分析法進(jìn)行了抗沖擊數(shù)值模擬分析。根據(jù)算例分析的結(jié)果,在應(yīng)力較小的位置進(jìn)行了減重優(yōu)化。對(duì)減重優(yōu)化后的骨架再次進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明雖然減重后的骨架剛強(qiáng)度有所降低,但骨架最大應(yīng)力仍處于材料強(qiáng)度的安全范圍之內(nèi),仍符合設(shè)計(jì)要求,對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的減重設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

[1] 汪玉,華宏星.艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005:8-10.

[2] 聞邦春,顧家柳,夏松波,等.高等轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué):理論、技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[3] 鐘一諤,何衍宗,等.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1987.

[4] GJB 150.18-86軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法——沖擊試驗(yàn)[S].

[5] 姜濤,王偉力,黃雪峰,等.艦艇抗沖擊設(shè)計(jì)中正負(fù)三角波沖擊譜分析與應(yīng)用[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2010,25(2):145-148.

[6] 張影.船用齒輪箱抗沖擊計(jì)算方法分析[D].哈爾濱工程大學(xué),2010.3.

Lightweight design and dynamics numerical simulation of an antenna framework

SONG Jun-chen, WU Jia, LI Wei-zhong, ZHUANG Wen-xu

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

In view of the lightweight requirement of an antenna framework, the structural lightweight design and the numerical simulation and analysis are performed in the extreme environment. The 3D finite element model of the framework is built in the workbench software. Based on the modal analysis, according to the standards of the environmental test of the military equipment, the shock response of the framework is analyzed in three directions through the time-domain transient analysis method, and the numerical simulation results indicate that the relevant structural parts can be optimized in weight. The quality of the framework optimized is reduced by about 25%, and it is simulated and analyzed again. The results indicate that the stress deformation response is within the range of the yield strength and the tensile strength of the materials, satisfying the anti-shock requirement of the working environment.

radar; antenna framework; workbench; lightweight; dynamics

2016-08-30;

2016-09-20

宋駿琛(1990-),男,助理工程師,碩士,研究方向:結(jié)構(gòu)力學(xué)分析;吳佳(1981-),女,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);李維忠(1979-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)結(jié)構(gòu)工藝;莊文許(1985-),男,高級(jí)工程師,博士,研究方向:機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TN957.2

A

1009-0401(2016)04-0056-04