一種簡易的單兵雷達(dá)結(jié)構(gòu)受力分析

嚴(yán)榮軍李維天

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所西安710068）

一種簡易的單兵雷達(dá)結(jié)構(gòu)受力分析

嚴(yán)榮軍李維天

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所西安710068）

結(jié)合某種單兵雷達(dá)的研制和實(shí)踐，論文介紹了一種簡易和快速架收的雷達(dá)結(jié)構(gòu)，對(duì)該雷達(dá)結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下受到的風(fēng)載和傾覆力矩進(jìn)行了計(jì)算，并通過有限元分析法對(duì)各結(jié)構(gòu)件的受力情況進(jìn)行了分析仿真。結(jié)果表明此支撐結(jié)構(gòu)在該特定工作條件下具有較好的穩(wěn)定性和剛強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

單兵雷達(dá)；結(jié)構(gòu)；載荷計(jì)算；有限元仿真

Class NumberTN957

1 引言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場局勢(shì)瞬息萬變，時(shí)刻掌握戰(zhàn)場局部動(dòng)態(tài)信息極為重要，為了滿足此需要，眾多單兵雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。單兵雷達(dá)的特點(diǎn)是快速架設(shè)撤收、快速轉(zhuǎn)移、行軍方便等，因此要求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，元器件少，各部分能夠快速拆分組合等［1～2］。而雷達(dá)在架設(shè)完成后靜止工作時(shí)只會(huì)受到重力載荷和風(fēng)力載荷的影響，受力相對(duì)簡單［3-4］。因此設(shè)計(jì)時(shí)在滿足穩(wěn)定工作的條件下盡可能地考慮使用要求和特點(diǎn)，盡可能簡化和實(shí)用。

本文主要介紹一種簡易的單兵雷達(dá)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)風(fēng)力矩的計(jì)算驗(yàn)證工作時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并通過有限元分析的方法驗(yàn)證結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的可靠性，并結(jié)合研制和實(shí)踐過程提出改善措施。

2 雷達(dá)系統(tǒng)簡介

本雷達(dá)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包括三部分（圖1），由天線、支架轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)和顯控臺(tái)組成。支架轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)臺(tái)（圖2），支撐腿和下端支腿等組成，天線安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸上實(shí)現(xiàn)方位旋轉(zhuǎn)，通過鎖緊裝置限位；支撐腿能夠收起與展開，方便攜帶和轉(zhuǎn)移；下端支腿實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整和調(diào)平。雷達(dá)架設(shè)時(shí)，撐開支架轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，將天線固定在支架轉(zhuǎn)臺(tái)上并通過纜線與顯控臺(tái)連接，并通過三個(gè)支腿固定和調(diào)平，能夠?qū)崿F(xiàn)快速組裝和位置調(diào)整，操作簡單，架設(shè)迅速。

3 載荷分析

此便攜式雷達(dá)正常工作時(shí)天線陣面與地面垂直并固定在支架轉(zhuǎn)臺(tái)上，支架與地面接觸，無輔助固定，因此為考慮抗風(fēng)狀態(tài)下工作時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，不會(huì)饒支腿傾翻，需要對(duì)作用在雷達(dá)系統(tǒng)上的各個(gè)力矩進(jìn)行計(jì)算。按照設(shè)計(jì)要求能夠在8級(jí)抗風(fēng)狀態(tài)下正常穩(wěn)定工作，此時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)主要受到垂直方向的重力載荷水平方向的風(fēng)力載荷作用，其中重力載荷為靜載荷，風(fēng)力載荷為動(dòng)載荷，所受力矩主要為重力力矩和風(fēng)力傾覆力矩。當(dāng)重力力矩大于風(fēng)力傾覆力矩時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，反之當(dāng)重力力矩小于風(fēng)力傾覆力矩時(shí)，雷達(dá)天線及底座會(huì)繞兩支腿觸地點(diǎn)軸線傾覆，不能抗風(fēng)工作［6～7］。

3.1 靜載荷

雷達(dá)系統(tǒng)所受靜載荷來源于各部件自重，由天線、轉(zhuǎn)臺(tái)、支撐腿、固定板和支腿等部分組成，重量分別為G1，G2，G3，G4，G5。假設(shè)天線和底座在風(fēng)力作用下繞AB軸傾覆，如圖3雷達(dá)系統(tǒng)俯視圖所示，忽略部分結(jié)構(gòu)重量，所受主要重力矩為

3.2 動(dòng)載荷

雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)所受動(dòng)載荷來源于風(fēng)負(fù)載，在實(shí)際情況下風(fēng)負(fù)載是無規(guī)則變動(dòng)的，為計(jì)算方便，取8級(jí)風(fēng)力下的最大值，然后按靜載荷計(jì)算校核。雷達(dá)天線為長方體形狀，長寬高尺寸為：l=0.9m，b=0.3m，h=0.8m，天線所受風(fēng)載荷與空氣密度ρ，風(fēng)速v，等效受力面積S等有關(guān)，而支架等迎風(fēng)面積較小所受風(fēng)載荷忽略不計(jì)，因此風(fēng)載主要集中在天線上，如圖3所示作用在天線的風(fēng)載荷為風(fēng)力F為

其中CF為風(fēng)力系數(shù)，q和S為風(fēng)力動(dòng)壓頭和受力面積。在風(fēng)載荷作用下，天線的受力可以分解為水平方向的風(fēng)阻力FD和豎直方向的升力FL，風(fēng)阻力FD和升力FL將產(chǎn)生傾覆力矩M2，導(dǎo)致天線連同支架傾覆［8～10］，如圖4所示。

其中，風(fēng)阻力FD=CD·q·S；風(fēng)升力FL=CL·q·S；風(fēng)力矩M=CM·q·S·h；傾覆力矩M2=FD·H。

式中q為動(dòng)壓頭（N/m2），計(jì)算公式為q=0.5ρV2，其中V為風(fēng)速（m/s），ρ為空氣密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，當(dāng)溫度為15℃時(shí)，ρ=1.25kg/m3；S為雷達(dá)天線的特征面積（m2），如圖1，長方體天線兩垂直面的面積分別為：S1=l·h=0.9×0.8m2=0.72m2，S2=b·h=0.3×0.8 m2=0.24 m2；h為特征尺寸，天線高度（m），H為等效風(fēng)力作用點(diǎn)天線中心處與地面的高度距離，H=1.7 m；CF(CD，CL)，CM為風(fēng)力系數(shù)和風(fēng)力矩系數(shù)，平板天線在不同俯仰角度下的風(fēng)力系數(shù)和風(fēng)力矩系數(shù)如圖5和圖6所示［2］。

該雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)Φ=90°（即γ=0°），此時(shí)由圖5和圖6中曲線可得CD=1.1，CL=0，CM=0。故天線只受到風(fēng)阻力FD和傾覆力矩M2作用。

由于自然風(fēng)力不是穩(wěn)定值而是無規(guī)律波動(dòng)的，地形、陣風(fēng)、高度等因素都會(huì)影響風(fēng)力大小，用平均風(fēng)力值帶入計(jì)算將給計(jì)算結(jié)果帶來較大誤差，因此要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，主要是動(dòng)壓頭q計(jì)算式中風(fēng)速V的取值，進(jìn)行高度修正和陣風(fēng)修正［3］，其中高度修正的公式為

式中Z為高度（m）；天線中心高度1.7 m，故Z=1.7 m；Vz為高度Zm處的平均風(fēng)速；α為指數(shù)，由地形而定，此處取α=0.146（曠野平原）；V10為10m高度處風(fēng)速，V10=19m/s（8級(jí)風(fēng)）。

陣風(fēng)修正是平均風(fēng)速乘以陣風(fēng)因數(shù)，天線處在8級(jí)大風(fēng)下工作時(shí)（風(fēng)速為V10=19m/s）時(shí)，查得陣風(fēng)因數(shù)為1.44。由此可計(jì)算出實(shí)際修正風(fēng)速V的值：

由以上可得動(dòng)壓頭：

如圖1所示風(fēng)載荷q作用下，天線兩個(gè)垂直面均受到風(fēng)力作用，有效受力面積分別為S1cosθ和S2sinθ，天線受到的風(fēng)阻力為

其中因此天線所受到的風(fēng)力隨著天線表面與風(fēng)力方向的角度θ不同而按照正弦規(guī)律變化，當(dāng)θ+β=90°受到的最大風(fēng)阻力為

最大傾覆力矩為

3.3 工作穩(wěn)定性分析

由前面計(jì)算可得靜載荷重力矩為M1=453.5N·M，按照最大風(fēng)力作用在最大受力面積下計(jì)算得出傾覆力矩M2=394.9N·M，通過對(duì)比可得出M1＞M2，故雷達(dá)系統(tǒng)在要求的條件下無需任何輔助固定措施下能夠正常穩(wěn)定的工作。

4 有限元受力分析

風(fēng)力作用下雷達(dá)天線、轉(zhuǎn)臺(tái)和支座等部分會(huì)產(chǎn)生變形和受力變化，關(guān)鍵部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果結(jié)構(gòu)件不滿足剛度強(qiáng)度要求將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此需要對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)在最大風(fēng)力作用下的受力進(jìn)行分析。本文利用ANSYS WORKBENCH有限元軟件來完成計(jì)算各結(jié)構(gòu)件的變形和受力情況，判斷其剛度強(qiáng)度是否滿足要求。與其他有限元分析軟件一樣，ANSYS WORKBENCH分析過程也包含建模、定義材料、劃分網(wǎng)格、加載、求解和后期處理等步驟［11～13］。

4.1 模型簡化

天線內(nèi)部元器件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如使用真實(shí)天線結(jié)構(gòu)模型將導(dǎo)致極大的計(jì)算量，而天線受到的風(fēng)載荷只作用在長方體天線的外表面，對(duì)內(nèi)部元器件結(jié)構(gòu)及位置沒有影響，因此用等體積等質(zhì)量的長方體實(shí)體代替天線實(shí)際模型，簡化模型，減少計(jì)算量。同理調(diào)平支腿，固定板等零部件只起到調(diào)平和固定限位的作用，并非關(guān)鍵部位并且具有足夠的強(qiáng)度剛度，因此模型中將其省略，而將支腿底部設(shè)置為固定約束，可達(dá)到相同目的，其他部位按照真實(shí)尺寸構(gòu)建模型。

4.2 前處理

將三維模型導(dǎo)入到ANSYS WORKBENCH中進(jìn)行前處理，包括定義材料、劃分網(wǎng)格、加載。其中天線材料按照模型同尺寸同質(zhì)量要求自定義材料，天線材料參數(shù)通過等效計(jì)算獲得，轉(zhuǎn)臺(tái)及內(nèi)部部分元器件材料為鋼，支腿部分為鋁合金。網(wǎng)格劃分選擇軟件自動(dòng)劃分，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)自動(dòng)劃分為四面體和六面體網(wǎng)格。受到的載荷為垂直于地面的重力載荷G和垂直天線陣面幾何中心的水平方向的風(fēng)力載荷FD，此外轉(zhuǎn)臺(tái)3個(gè)支腿下部設(shè)置為固定約束，然后選擇求解器求解。

4.3 計(jì)算結(jié)果

通過仿真計(jì)算，結(jié)果如圖8所示，在風(fēng)載作用下每個(gè)結(jié)構(gòu)件均有應(yīng)力集中部位，較大應(yīng)力應(yīng)變部位主要位于外殼與方位軸的接觸面、止板和外殼接觸面及內(nèi)軸上，最大應(yīng)力應(yīng)變位于止板拐角處。按照等效應(yīng)力和等效應(yīng)變規(guī)則計(jì)算時(shí)，最大應(yīng)力為23.68MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.17×10-4m/m；按照最大應(yīng)力和最大應(yīng)變規(guī)則計(jì)算時(shí)，最大應(yīng)力為40.46Mpa，遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度（表1）；最大應(yīng)變?yōu)?.23×10-4m/ m，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)變形較小。因此通過有限元分析可知轉(zhuǎn)臺(tái)及支座滿足強(qiáng)度剛度要求。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

5 結(jié)語

本文對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)在給定條件下的重力矩和傾覆力矩進(jìn)行了計(jì)算，并利用有限元方法對(duì)受力和變形進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該支架和天線在8級(jí)風(fēng)載下不會(huì)發(fā)生傾覆，各結(jié)構(gòu)件滿足剛強(qiáng)度要求，能夠正常穩(wěn)定工作。同時(shí)，由計(jì)算結(jié)果看出止板上的直角拐角處有較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，后續(xù)將優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改善受力；此外，在靜載荷計(jì)算中可以看出天線及支架兩部分重量為50kg左右，對(duì)于單兵雷達(dá)而言，攜帶負(fù)擔(dān)較重，還需大量減重。后續(xù)工作中將優(yōu)化天線及支架轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)使得尺寸小型化，采用碳纖維等輕型材料使得重量輕型化，通過外加輔助固定措施增加工作穩(wěn)定性而不是靠自重保證等措施進(jìn)行改善，從而減輕單兵負(fù)擔(dān)，充分滿足單兵雷達(dá)的特點(diǎn)和要求。

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A Simple Structure Design of Individual Rader

YAN RongjunLI Weitian
（The Twentieth Institute of China Electronics Technology Group，Xi'an710068）

sCombined with the research on the individual rader，this paper introduced a structure which can be simply and eas?ily installed and disassembled，calculated its wind load and overturning moment under work condition，and used the finite element simulation method to simulate load of some parts.The results showed that the support structure had a good stability，stiffness and in?tensity under the special work condition，which satisfied the design parameters.

individual rader，structure，load，finite element simulation

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.038

2017年2月9日，

2017年3月28日

嚴(yán)榮軍，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：雷達(dá)結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)。李維天，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：雷達(dá)電子結(jié)構(gòu)。