一種可移動(dòng)式天氣雷達(dá)裝載平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

程海平

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，　安徽 合肥 230088)

引　言

機(jī)動(dòng)式天氣雷達(dá)在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求并不高，因此車輛的使用率相當(dāng)?shù)?，但車輛的維護(hù)和使用成本卻很高，給使用單位造成了一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為了降低雷達(dá)制造、使用和維護(hù)成本，在進(jìn)行雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了在不配備雷達(dá)專用載車的情況下滿足雷達(dá)可移動(dòng)要求的方案。

本文詳細(xì)介紹了一種可移動(dòng)式裝載平臺(tái)的設(shè)計(jì)。該雷達(dá)主要由3個(gè)運(yùn)輸單元組成。其中1號(hào)單元為電子設(shè)備單元，2號(hào)單元為雷達(dá)操作方艙，3號(hào)單元為電站單元，均取消了專用載車。各單元在運(yùn)輸時(shí)采用普通貨車且可相互獨(dú)立，在到達(dá)陣地后進(jìn)行安裝架設(shè)時(shí)，可不需其他吊裝設(shè)備的輔助，大大降低了雷達(dá)的制造和使用成本。該雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體重點(diǎn)設(shè)計(jì)工作在1號(hào)單元。在設(shè)計(jì)中，充分運(yùn)用了先進(jìn)的CAD技術(shù)、人性化工程設(shè)計(jì)技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)。整機(jī)戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理，工藝先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠，雷達(dá)操作簡單方便，并且系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠滿足用戶對(duì)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場、野外試驗(yàn)、科學(xué)研究、業(yè)務(wù)運(yùn)行等眾多需求，同時(shí)大大降低了雷達(dá)的硬件成本以及維護(hù)周期和全壽命周期的使用維護(hù)成本。

1　裝載平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該雷達(dá)為C波段全相參多普勒天氣雷達(dá)，電子設(shè)備相對(duì)較多，圓拋物面天線口徑為3.2 m，通過門架舉升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺(tái)工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。

為降低對(duì)運(yùn)輸車輛的要求，使其在運(yùn)輸過程中有良好的通過性，1號(hào)單元要求整體高度盡量低，長度盡量短，寬度不超過一般車輛車廂的寬度。同時(shí)，為保障雷達(dá)的觀測要求，雷達(dá)的舉升高度應(yīng)盡量高。沒有載車的輔助，因而對(duì)平臺(tái)的剛強(qiáng)度要求很高。

為降低架設(shè)時(shí)的復(fù)雜度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮對(duì)電子設(shè)備、舉升平臺(tái)和天饋系統(tǒng)進(jìn)行一體化(1號(hào)單元)設(shè)計(jì)，形成一個(gè)可獨(dú)立工作的單元。橫展腿采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式展開和收縮，與天線轉(zhuǎn)臺(tái)門架舉升系統(tǒng)為一套動(dòng)力源。調(diào)平腿收藏與橫展腿收縮均為自動(dòng)化，大大提高了狀態(tài)轉(zhuǎn)換的效率。調(diào)平方式采用手動(dòng)方式，大大降低了生產(chǎn)制造成本。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，雷達(dá)終端(2號(hào)單元)可放置在方便工作的地方。本文重點(diǎn)介紹了1號(hào)單元裝載平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1號(hào)單元工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1　1號(hào)單元工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)簡圖

2　裝載平臺(tái)的受力計(jì)算

2.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要求雷達(dá)能在10級(jí)風(fēng)環(huán)境下正常工作，在12級(jí)風(fēng)環(huán)境下不受破壞。通過設(shè)計(jì)和抗風(fēng)能力計(jì)算，對(duì)底盤、方艙的重量進(jìn)行了必要的增加。這種重量的增加對(duì)結(jié)構(gòu)整體的剛性也是有好處的。

天線和轉(zhuǎn)臺(tái)的總質(zhì)量為1 000 kg，底盤設(shè)計(jì)為2 000 kg,電子方艙為1 500 kg,門架質(zhì)量為1 000 kg,再加上其他附助設(shè)施，1號(hào)單元設(shè)計(jì)總質(zhì)量為6 400 kg,總長度小于6 m，完全滿足一般貨車運(yùn)輸承載要求。底盤采用框架式結(jié)構(gòu)，全部采用鋼板折彎后焊接而成。

2.2　裝載平臺(tái)底盤受力分析

為方便裝載平臺(tái)結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度分析，對(duì)1號(hào)單元進(jìn)行了受力分析和結(jié)構(gòu)簡化。

裝載平臺(tái)主要承受設(shè)備的重量和風(fēng)力。對(duì)電子方艙和天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行簡化，將計(jì)算出來的風(fēng)力的具體數(shù)值直接作用在中心點(diǎn)上。為充分了解門架舉升、底盤和支腿在不同風(fēng)向下的變形，分別從X方向、Y方向和45°方向加載風(fēng)力，并在不同風(fēng)速下分別進(jìn)行變形和最大應(yīng)力分析。

天線迎風(fēng)面為沖孔拋物面，風(fēng)阻系數(shù)CF取1。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為15 ℃時(shí)，風(fēng)載荷計(jì)算公式可簡化為：

F風(fēng)=SV2/16

(1)

式中：S為風(fēng)的作用面積；V為風(fēng)速。

則圓形面風(fēng)載荷按下面的公式計(jì)算：

F風(fēng)=SV2/16=(D/2)2πV2/16

(2)

式中，D為天線直徑。

將風(fēng)速25 m/s、35 m/s和天線直徑3.2 m代入式(2)，得出2種風(fēng)速工況下的風(fēng)力：

F風(fēng)= 3 140 N(工況1)

F風(fēng)= 6 150 N(工況2)

充分考慮陣風(fēng)因素和安全因素，適當(dāng)取安全系數(shù)1.5。因此，在工況1下，以5 000 N的風(fēng)力載荷對(duì)平臺(tái)的最大變形和應(yīng)力進(jìn)行分析；在工況2下，以9 500 N的風(fēng)力載荷對(duì)平臺(tái)的最大應(yīng)力進(jìn)行分析。天線轉(zhuǎn)臺(tái)重力均設(shè)為15 000 N。

3　裝載平臺(tái)模型建立與分析

3.1　建立有限元模型

本次的任務(wù)是計(jì)算2種工況下的應(yīng)力和變形，屬于固體結(jié)構(gòu)的分析范疇，而且需綜合考慮計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，所以前處理采用Hypermesh軟件，求解計(jì)算采用Nastran軟件，有限元模型構(gòu)建均基于這些軟件。

由于該平臺(tái)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了更好地分析其結(jié)構(gòu)，特別是底盤及舉升平臺(tái)各部分受力及位移情況，需要在建立有限元模型時(shí)在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些合理的簡化，如圖2所示。把結(jié)構(gòu)框架之間的焊接處簡化成節(jié)點(diǎn)連接，且假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間的連接為剛性；把對(duì)結(jié)構(gòu)分析無影響和不關(guān)心的結(jié)構(gòu)分別簡化為等效集中質(zhì)量作用在其約束結(jié)構(gòu)上；對(duì)厚度和長度比大于1∶10的板材采用殼單元模擬，小于1∶10的結(jié)構(gòu)采用六面體單元模擬。

圖2　整體結(jié)構(gòu)圖

平臺(tái)和舉升結(jié)構(gòu)均由等厚度板材相互焊接而成，均采用殼單元模擬；將天線轉(zhuǎn)臺(tái)單元簡化成與其質(zhì)量對(duì)應(yīng)的mass單元；各板材之間的焊接關(guān)系采用殼單元和梁單元，并配合RBE2和RBE3單元來模擬真實(shí)的焊接關(guān)系。有限元模型共計(jì)236 244個(gè)單元，235 242個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.1.1材料

全部結(jié)構(gòu)采用Q345材料，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。材料的彈性模量為210×109Pa，泊松比μ= 0.3,密度ρ= 7 850 kg/m3,理論屈服極限為345×106Pa，實(shí)際測得的斷裂強(qiáng)度為890 MPa,斷裂延伸率為25%。

圖3　Q345應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.1.2載荷和約束的處理方法

在完全展開的狀態(tài)下，約束支撐腿在3個(gè)方向的平動(dòng)和在3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，按照2種風(fēng)速工況，在3個(gè)方向分別進(jìn)行風(fēng)力加載和計(jì)算。

3.2　工況1，10級(jí)風(fēng)工作風(fēng)速計(jì)算結(jié)果

在正常工作風(fēng)速下，主要分析平臺(tái)的變形是否影響雷達(dá)的正常觀測精度。根據(jù)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)要求，舉升平臺(tái)的水平誤差及扭轉(zhuǎn)角度應(yīng)不大于3′。為全面分析裝載平臺(tái)在來自不同方向風(fēng)作用下的穩(wěn)定性，風(fēng)力加載主要考慮長度方向(X軸)、寬度方向(Z軸)和45°夾角方向。經(jīng)分析得知，在Z軸方向應(yīng)力和變形均最大，因此，本文詳細(xì)給出了風(fēng)力在該方向的分析結(jié)果。按照Z軸方向加載風(fēng)載荷時(shí)，得到的應(yīng)力分布云圖如圖4所示，最大應(yīng)力為221 MPa，該最大值沒有超出材料的屈服強(qiáng)度。

圖4　局部應(yīng)力圖

位移云圖如圖5所示，天線中心變形為10.65 mm，天線座最大變形為8.74 mm。經(jīng)計(jì)算滿足正常工作設(shè)計(jì)要求。

圖5　整體變形云圖

沿X軸方向加載風(fēng)力，計(jì)算結(jié)果見表1。沿45°方向加載風(fēng)力，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1　X軸方向計(jì)算結(jié)果

表2　45°方向計(jì)算結(jié)果

3.3　工況2，12級(jí)風(fēng)不破壞計(jì)算結(jié)果

要求雷達(dá)在12級(jí)風(fēng)工況下不受破壞。本文只給出在該風(fēng)速下在不同方向風(fēng)載荷作用下的最大應(yīng)力值。

通過計(jì)算分析得出以下結(jié)果：按照X軸加載35 m/s風(fēng)載荷時(shí)，得到的最大應(yīng)力為312 MPa；按照Z軸加載風(fēng)載荷時(shí)，得到的最大應(yīng)力為324 MPa；按照45°方向加載風(fēng)載荷時(shí)，得到的最大應(yīng)力為283 MPa；最大應(yīng)力位于舉升平臺(tái)與底盤的連接處，如圖6所示，均沒有超出材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生破壞，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。最大變形云圖如圖7所示，舉升平臺(tái)上最大變形為16.03 mm。

圖6　局部最大應(yīng)力云圖

圖7　最大變形云圖

4　結(jié)束語

本文針對(duì)當(dāng)前為可移動(dòng)式天氣雷達(dá)配備的專用載車實(shí)際使用率低、使用維護(hù)成本高的現(xiàn)象提出了一種有效的解決方案。對(duì)電子設(shè)備與天饋系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)無固定載車可移動(dòng)的要求，使該雷達(dá)開展機(jī)動(dòng)實(shí)驗(yàn)方便快捷，還大大降低了雷達(dá)的制造成本和使用維護(hù)成本。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再利用力學(xué)分析軟件進(jìn)行剛強(qiáng)度的分析與優(yōu)化，確保了系統(tǒng)在各工況下滿足雷達(dá)的使用要求。

對(duì)實(shí)物進(jìn)行實(shí)際測量和使用驗(yàn)證，結(jié)果表明該雷達(dá)的裝載平臺(tái)設(shè)計(jì)是成功的，完全滿足雷達(dá)的使用要求，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。其設(shè)計(jì)思想對(duì)同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。對(duì)平臺(tái)調(diào)平等進(jìn)行進(jìn)一步研究，采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)行自動(dòng)化控制，可滿足無固定載車?yán)走_(dá)的高機(jī)動(dòng)性要求。

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