某型火控雷達俯仰殼體動力學(xué)仿真*

周晨龍，劉 軒

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安 710068）

引 言

隨著現(xiàn)代雷達技術(shù)的快速發(fā)展，針對噴氣式飛機、制導(dǎo)導(dǎo)彈及彈道導(dǎo)彈等高速目標的快速發(fā)現(xiàn)和反制，縮短雷達反應(yīng)時間的需求在日益增加[1]。同時，為了實現(xiàn)雷達全向化、高目標探測的高數(shù)據(jù)率需求，提高天線轉(zhuǎn)速成為提高數(shù)據(jù)率的一個重要手段。但是，如果增加天線方位轉(zhuǎn)速，方位上部天線及其他機構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)力矩、不平衡力矩等載荷都會增加，對結(jié)構(gòu)的要求也隨之提高。

某型車載火控雷達為搜跟一體型雷達，具有高轉(zhuǎn)速自主搜索、高精度自主跟蹤及快速搜轉(zhuǎn)跟等功能。俯仰機構(gòu)是該型車載火控雷達系統(tǒng)的重要組成部分，安裝在雷達方位轉(zhuǎn)臺上，其主要功能是支撐天線及雷達陣面作戰(zhàn)狀態(tài)和運輸狀態(tài)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。

該雷達在實際使用過程中主要包括轉(zhuǎn)場運輸、陣地陣面展開/撤收、搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤等幾種工況。本文通過多體動力學(xué)Simcenter 3D、AMESim系統(tǒng)仿真及ANSYS Workbench等仿真軟件，從力學(xué)計算和仿真等方面對雷達在陣地陣面展開/撤收、搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤3種工況展開分析。

1 俯仰殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 主要技術(shù)指標

1）天線質(zhì)量：1 300 kg；

2）俯仰翻轉(zhuǎn)角度范圍：0°～90°；

3）俯仰翻轉(zhuǎn)時間：≤90 s；

4）工作風(fēng)速：30 m/s（正常工作）；

5）搜索轉(zhuǎn)跟蹤時間：2 s；

6）搜索狀態(tài)轉(zhuǎn)速：40 r/min；

7）搜索啟動時間：≤4 s。

1.2 俯仰機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)該雷達的功能及性能指標要求，該俯仰機構(gòu)主要由俯仰殼體、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、角度傳感器及轉(zhuǎn)軸等組成，如圖1所示。液壓驅(qū)動系統(tǒng)通過液壓缸的伸縮，實現(xiàn)陣面天線的翻轉(zhuǎn)；角度傳感器用于測量陣面天線的翻轉(zhuǎn)角度，并對角度信息實時采集并傳輸。

圖1 俯仰機構(gòu)組成

1.3 俯仰殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]

根據(jù)俯仰殼體在俯仰機構(gòu)中的主要功能、力學(xué)性能及安裝接口等要求，對俯仰殼體進行設(shè)計，如圖2所示。俯仰殼體整體采用鑄造成型，材料為ZL114A，拉伸強度為310 MPa。根據(jù)受力分布對俯仰殼體內(nèi)部進行加筋處理，保證其剛度及強度要求。

圖2 俯仰殼體結(jié)構(gòu)圖

2 力學(xué)計算與仿真分析

2.1 陣面展開/撤收

陣面展開/撤收過程中俯仰殼體的受力主要由陣面天線重力和作用在陣面天線上的風(fēng)載荷產(chǎn)生，受力點主要為陣面天線和液壓缸在俯仰殼體上的安裝支點及俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺的安裝面。

本節(jié)主要通過陣面天線風(fēng)載計算及動力學(xué)仿真兩個途徑對風(fēng)載環(huán)境下陣面倒伏過程中俯仰殼體的動態(tài)力學(xué)性能進行仿真分析。

2.1.1 陣面倒伏過程中風(fēng)載荷的計算[3]

陣面倒伏過程中的受力可以通過理論公式進行計算，風(fēng)對陣面正吹時陣面繞俯仰軸的力矩為：

式中：A1為風(fēng)對陣面的正吹面積；q= 0.5ρv2為動壓頭（ρ為空氣密度，0.125 kg·s2/m4；v為工作風(fēng)速，30 m/s）；c為陣面正面幾何中心到俯仰軸的距離，取值為1 m；CX為陣面風(fēng)阻力系數(shù)；g為重力加速度。經(jīng)過計算，負載風(fēng)力矩Mr= 2 473.12 sinθN·m，θ為陣面倒伏角度，取值0°～90°（陣面水平狀態(tài)為0°）。

2.1.2 陣面倒伏過程中的動力學(xué)仿真

為了對俯仰殼體在受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性進行分析判斷，本節(jié)采用Simcenter 3D動力學(xué)仿真軟件對陣面倒伏過程中俯仰殼體的動態(tài)響應(yīng)進行分析。仿真時，對俯仰殼體進行柔性化處理（如圖3所示），劃分單元網(wǎng)格，添加材料特性，設(shè)置俯仰殼體對外接口及與方位轉(zhuǎn)臺安裝面的連接關(guān)系。同時，為了更加精確地仿真出風(fēng)載作用下不同倒伏角度的俯仰殼體的受力狀態(tài)，仿真時將上節(jié)計算的風(fēng)載荷采用Simcenter 3D& AMESim（1D）聯(lián)合仿真軟件添加到陣面天線上進行動力學(xué)仿真分析，其工作方式如圖4所示。

圖3 俯仰殼體柔性化模型

圖4 1D & 3D聯(lián)合仿真的工作方式

通過仿真運算，可以得出0°～90°翻轉(zhuǎn)過程中俯仰殼體應(yīng)力主要集中在鉸接點A和B（見圖8）處，最大應(yīng)力約為40 MPa，應(yīng)力曲線見圖5（a），仿真時間和翻轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系如圖5（b）所示。

圖5 俯仰殼體應(yīng)力曲線及仿真時間和翻轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系

從圖5可以看出，在0°附近時，A、B點應(yīng)力均存在波動。通過分析可知，0°處于陣面天線翻轉(zhuǎn)的啟動階段，由于陣面翻轉(zhuǎn)時的慣量較大，存在一定的沖擊振動，當翻轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定后，受力將趨于平穩(wěn)。受力趨勢及結(jié)果與理論計算基本吻合，且最大應(yīng)力均遠小于材料的強度極限，滿足設(shè)計要求。

2.2 搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤狀態(tài)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標要求，陣面天線搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤狀態(tài)主要分為啟動加速階段（啟動時間為4 s）、穩(wěn)定搜索階段（轉(zhuǎn)速為240（°）/s）和搜索轉(zhuǎn)跟蹤階段（轉(zhuǎn)速從240（°）/s減為0，用時2 s）。同時，3個階段的工作過程中，俯仰殼體受到的載荷均為陣面天線及俯仰機構(gòu)自身載荷及外部載荷，其中，自身載荷主要為重力及動不平衡力矩，外部載荷主要為風(fēng)載。

2.2.1 動不平衡力矩

俯仰殼體及上方安裝的陣面天線、液壓缸、轉(zhuǎn)軸等零部件繞旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)過程中，因為形狀及內(nèi)部組織不均勻，在俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺安裝面處會產(chǎn)生一個垂直于旋轉(zhuǎn)軸的不平衡力矩，即動不平衡力矩，如圖6所示。計算可得，動不平衡力矩為：

圖6 俯仰機構(gòu)動不平衡力矩受力簡圖

式中：n為質(zhì)量點數(shù)；Fxi、Fyj為俯仰機構(gòu)各質(zhì)量點的離心力；Lxi、Lyj為俯仰機構(gòu)各質(zhì)量點的離心力z軸的力臂。

由于俯仰機構(gòu)（包括陣面天線、液壓缸及俯仰殼體等零部件）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論上無法對該不平衡力矩進行準確計算，因此將其質(zhì)量及尺寸特性直接帶入動力學(xué)仿真進行仿真計算。

2.2.2 風(fēng)載荷的計算[4]

由于Simcenter 3D軟件在動力學(xué)仿真中無法直接添加風(fēng)場，本文首先通過ANSYS Workbench軟件中的fluent模塊對陣面在0°～360°旋轉(zhuǎn)過程中的風(fēng)力矩進行計算，然后將計算結(jié)果通過AMESim（1D）添加到Simcenter 3D軟件中的陣面模型上。

根據(jù)技術(shù)指標，通過fluent模塊對陣面天線及俯仰機構(gòu)轉(zhuǎn)動過程中的動態(tài)風(fēng)力矩進行仿真，結(jié)果如圖7所示，其中仿真起始點為陣面受到正面風(fēng)作用時，此時俯仰機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度為0°。

圖7 風(fēng)力矩曲線

從圖7可以看出，風(fēng)力矩隨天線的轉(zhuǎn)動呈周期性變化。通過對數(shù)據(jù)的分析處理，擬合得出該陣面天線轉(zhuǎn)動過程中風(fēng)力矩f和轉(zhuǎn)動角度x的函數(shù)關(guān)系為：

仿真分析時，可以將陣面天線轉(zhuǎn)動角度分段帶入式（3），得到陣面天線在轉(zhuǎn)動過程中任意位置的風(fēng)力矩大小。

2.2.3 仿真及分析[5]

本節(jié)依然通過Simcenter 3D & AMESim（1D）聯(lián)合仿真的方法對陣面天線在搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤過程中俯仰殼體的受力進行仿真分析。仿真過程中兩個軟件之間的工作方式與圖4一致，也是通過將Simcenter 3D中陣面轉(zhuǎn)動的實時角度值通過數(shù)據(jù)交互接口傳遞給AMESim軟件進行運算，然后再通過數(shù)據(jù)交互接口將計算出的風(fēng)力矩傳遞給Simcenter 3D軟件，最終添加到陣面上。

仿真時，Simcenter 3D動力學(xué)仿真模型采用2.1節(jié)的仿真模型（如圖3所示），將模型中陣面天線的重心調(diào)整在俯仰機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線上，與實際產(chǎn)品的工作狀態(tài)一致，同時調(diào)整與AMESim的數(shù)據(jù)交互接口；AMESim中的模型主要包括角度判斷、分段計算及數(shù)據(jù)交互3個部分。

通過仿真計算得到陣面轉(zhuǎn)動過程中俯仰殼體應(yīng)力云圖（圖8）和俯仰殼體的應(yīng)力、轉(zhuǎn)速、時間的關(guān)系曲線（圖9）。

由圖8、圖9可見，俯仰殼體應(yīng)力主要集中在俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺的安裝面附近C點處，且在0～4 s的加速階段和25～27 s的減速階段最大，最大應(yīng)力約為20 MPa；鉸接點A和B處的應(yīng)力在4～25 s搜索階段最大，其中A點的最大應(yīng)力約為6 MPa，B點的最大應(yīng)力約為12 MPa。

圖8 俯仰殼體應(yīng)力云圖

圖9 俯仰殼體的應(yīng)力、轉(zhuǎn)速、時間的關(guān)系曲線

通過分析可知，搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤過程中，俯仰殼體上的應(yīng)力遠小于材料的強度極限，其結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足相關(guān)指標要求。

3 結(jié)束語

本文對某型火控雷達俯仰殼體風(fēng)載環(huán)境下的陣面展開與撤收、高轉(zhuǎn)速搜索及搜轉(zhuǎn)跟工作狀態(tài)下的受力進行了仿真計算，得出了陣面天線在風(fēng)場環(huán)境下倒伏過程及高速轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的動態(tài)風(fēng)力矩和不平衡力矩的計算及仿真方法。通過ANSYS Workbench的運用以及Simcenter 3D & AMESim（1D）聯(lián)合仿真，使仿真環(huán)境更接近實際情況，提高了仿真的可信度，對產(chǎn)品設(shè)計具有一定的指導(dǎo)價值。