天線罩測試轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性仿真分析

張斌　徐方舟　郭愛民

摘? 要：采用有限元分析方法，借助HyperMesh軟件建立了天線罩測試轉(zhuǎn)臺的全機(jī)有限元計(jì)算模型，并歸納了同類機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元建模過程中的幾個(gè)重點(diǎn)問題;使用RADIOSS求解器進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性分析結(jié)果，并根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了相關(guān)優(yōu)化依據(jù)。

關(guān)鍵詞：天線罩測試轉(zhuǎn)臺;靜動態(tài)分析;有限元分析

中圖分類號：TN820? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）23-0012-04

Abstract： Using the finite element analysis method， the finite element calculation model of the Radome test turntable is established with the help of HyperMesh software， and several key problems in the finite element modeling process of similar mechanical structures are summarized; the simulation calculation is carried out using RADIOSS solver， the static and dynamic characteristic analysis results of the turntable structure are obtained， and the relevant optimization basis for the structural design is put forward based on the analysis results.

Keywords： Radome test turntable; static and dynamic analysis; finite element analysis

引言

天線罩測試轉(zhuǎn)臺是用于在微波暗室環(huán)境中對飛行器天線罩進(jìn)行透波性能測試的關(guān)鍵設(shè)備，它用于模擬飛行器天線罩在空間進(jìn)行偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)的運(yùn)動，屬于一種高精度的運(yùn)動仿真設(shè)備。文獻(xiàn)[1]中，研究者依據(jù)

GJB1801-93方法設(shè)計(jì)的預(yù)備試驗(yàn)定量驗(yàn)證了轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)變形對轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)精度影響較大的結(jié)論。因此，轉(zhuǎn)臺臺體結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)力學(xué)特性直接影響其測試精度。

從二十世紀(jì)八十年代至今，關(guān)于轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性的有限元分析已經(jīng)從線彈性范圍內(nèi)突破至非線性范圍（接觸問題、疲勞問題），但是大部分實(shí)際問題仍可以在線彈性范圍內(nèi)獲得理想的分析結(jié)果。與此同時(shí)，有限元模型本身也隨著有限元程序和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展而向真實(shí)結(jié)構(gòu)逼近，網(wǎng)格劃分更精密，單元類型更豐富，分析得到的結(jié)果更逼近真實(shí)結(jié)果[2-7]。

天線罩測試轉(zhuǎn)臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度來說，涉及到的結(jié)構(gòu)形式包括：板殼、板殼構(gòu)成的空腔變截面梁、實(shí)體。工程力學(xué)所提供的傳統(tǒng)靜力學(xué)計(jì)算方法需要對轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)模型做過多的假設(shè)和簡化處理，且動態(tài)特性計(jì)算困難。因此采用有限元分析方法，借助HypeMesh軟件建立完整的有限元計(jì)算模型，借助RADIOSS求解器對轉(zhuǎn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性進(jìn)行仿真計(jì)算。

本文主要論述兩個(gè)問題：（1）探討建立轉(zhuǎn)臺整機(jī)有限元模型的方法和關(guān)鍵技術(shù)。（2）利用轉(zhuǎn)臺有限元模型進(jìn)行動靜態(tài)仿真分析，并依據(jù)分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)方案及載荷條件

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

天線罩測試轉(zhuǎn)臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1左為完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)，忽略其中的非承載功能性零部件，保留反映機(jī)械結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特性的部件，以便建立合理正確且高效的有限元計(jì)算模型。圖1右是簡化后的受力結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)臺的主要受力結(jié)構(gòu)主要由底座、方位法蘭座、方位主軸、方位搖臂、頂部支撐梁、俯仰左右支撐、自旋定部件等組成。為天線罩提供偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)三個(gè)軸系回轉(zhuǎn)運(yùn)動，三軸在空間要求相互正交，各軸均有獨(dú)立的驅(qū)動元件。

底座由Q235鋼板拼焊成型，高剛性為整個(gè)轉(zhuǎn)臺提供穩(wěn)定的支撐和位置基準(zhǔn)。方位搖臂采用鋼板拼焊成型的L形空腔變截面梁，頂部支撐采用鋼板拼焊成型的空腔梁，俯仰左右支撐均為箱形結(jié)構(gòu)，自旋定部件因外形復(fù)雜而采用實(shí)體結(jié)構(gòu)，天線罩通過螺釘連接的方式固定在自旋定部件上。

1.2 載荷條件

天線罩測試轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)在整個(gè)工作過程中所承受的外載荷主要有三部分：（1）轉(zhuǎn)臺及天線罩受重力引起的載荷;（2）軸系啟動和制動過程中產(chǎn)生的慣性載荷;（3）電機(jī)驅(qū)動力矩;轉(zhuǎn)臺與地面之間為剛性連接，所有自由度被完全約束。

2 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)靜動態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

對簡化后的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)建立有限元計(jì)算模型。其中關(guān)鍵的問題有如下幾個(gè)：

（1）幾何清理。將不影響結(jié)構(gòu)整體力學(xué)特性的小特征（如倒角、退刀槽等小特征）清理掉。以提高模型的網(wǎng)格質(zhì)量，降低計(jì)算成本。

（2）合理選擇單元類型。對于實(shí)體特征的結(jié)構(gòu)（方位法蘭軸、方位主軸、自旋定部件）采用Solid單元建模、板殼特征的結(jié)構(gòu)（底座、方位搖臂、俯仰左右支撐、頂部支撐梁、天線罩）采用Shell單元建模。圖2是各部件的有限元模型。

（3）機(jī)械聯(lián)接的處理

轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)上采用的機(jī)械聯(lián)接方式主要有三種：焊接、螺栓聯(lián)接、螺釘聯(lián)接。

焊接作為純剛性聯(lián)接來處理，有限元模型中不考慮其彈性使用剛性單元來模擬。RADIOSS求解器提供的REB2剛性單元可以用來模擬這種剛性單元，如圖3所示。

螺栓聯(lián)接和螺釘連接當(dāng)作彈性聯(lián)接來處理，有限元模型中考慮螺栓和螺釘?shù)膹椥?，使用BEAM單元模擬。螺栓及螺釘頭與對應(yīng)區(qū)域的作用采用節(jié)點(diǎn)耦合或使用蜘蛛梁來模擬[8]，如圖4所示。并且在板間接合面定義接觸。

經(jīng)過簡化模型、劃分網(wǎng)格、處理聯(lián)接關(guān)系、定義材料、定邊界條件等工作，建立了完整的轉(zhuǎn)臺有限元模型，如圖5所示。

2.2 天線罩測試轉(zhuǎn)臺靜態(tài)特性分析

在轉(zhuǎn)臺的測試工作過程中，每一次測試都是在轉(zhuǎn)臺運(yùn)動到一個(gè)位置停止后進(jìn)行的，因此只分析在重力載荷下轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性，不考慮每次運(yùn)動過程中啟動與制動帶來的慣性載荷。經(jīng)計(jì)算，得到轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)變形圖和應(yīng)力分布圖，如圖6和圖7所示。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)在靜載荷作用

下的最大形變位移出現(xiàn)在天線頂端，最大位移為3.69mm，轉(zhuǎn)換為天線軸線偏角為0.08°。由于此變形是各構(gòu)件的變形的末端累積，因此可以在待測天線安裝到位后參考此軸線偏角進(jìn)行反向調(diào)整消除此軸線偏角。（2）最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在俯仰支撐部件以及L形方位搖臂的直角位置，最大Vonmises應(yīng)力為36.73MPa。應(yīng)力集中區(qū)域材料為Q235鋼板，屈服極限為235MPa，遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)應(yīng)力，強(qiáng)度安全系數(shù)滿足要求。

2.3 天線罩測試轉(zhuǎn)臺動態(tài)特性分析

本次研究關(guān)注的動態(tài)特性為轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的模態(tài)。RADIOSS求解器支持蘭索仕方法（Lanczos Method）來求解特征值。提取前6階的模態(tài)，各階模態(tài)的固有頻率如表1所示，各階模態(tài)的振型如圖8所示。

模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)臺的前4階固有頻率較低，從結(jié)構(gòu)的振動特性來說容易產(chǎn)生低階共振。但是天線罩測試轉(zhuǎn)臺的實(shí)際工況是間歇運(yùn)動，主要的外部激勵(lì)形式是啟動與制動產(chǎn)生的沖擊，不存在固定頻率的外部激勵(lì)，因此在此工況下轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振。但是可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度采取提高低階模態(tài)固有頻率的措施來增強(qiáng)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。

3 結(jié)束語

（1）總結(jié)了涉及多種單元類型混合的復(fù)雜裝配體結(jié)構(gòu)的有限元建模過程中的重點(diǎn)問題，尤其是常見機(jī)械聯(lián)接的處理方法。并建立了完整的轉(zhuǎn)臺有限元模型。

（2）通過靜態(tài)特性的仿真計(jì)算，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的變形帶來的天線軸線偏角值，為轉(zhuǎn)臺的調(diào)整提供了一個(gè)參考值。

（3）通過動態(tài)特性的仿真計(jì)算，得到了轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)低階固有頻率較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該增加方位搖臂的整體剛性，以提高結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)的固有頻率。

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