基于協(xié)同優(yōu)化的某雷達天線座結(jié)構優(yōu)化設計

房建斌

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

在跟蹤雷達結(jié)構中，天線座作為支撐雷達天線、實現(xiàn)伺服系統(tǒng)性能指標的重要結(jié)構組成部分，具有非常關鍵的作用[1]。

傳統(tǒng)設計天線座的思路為：參照類似的產(chǎn)品進行結(jié)構設計、仿真分析、修改結(jié)構、再仿真分析…，不斷迭代，最終獲得滿意的設計結(jié)果。這種參數(shù)修正和試錯相結(jié)合的方式滿足不了短時間、多變量條件下，幾何特性、物理特性和綜合力學性能相互耦合的優(yōu)化設計要求，存在設計周期較長、設計結(jié)果整體性差，結(jié)構整體問題和某一具體問題相互交織，難以協(xié)調(diào)解決等。因此，摸索出一種基于造型和布局優(yōu)化、約束優(yōu)化、關鍵零部件拓撲優(yōu)化的協(xié)同優(yōu)化設計方法成為解決問題的有效途徑[2]。

某跟蹤雷達天線座內(nèi)部零部件主要包括：方位傳動、俯仰傳動，以及電源等單元模塊。在功能試驗中發(fā)現(xiàn)整體剛度較低、局部強度較弱、造型不夠美觀等問題，如何在天線座自身重量、外部尺寸、接口關系受限的條件下一次性、高效、系統(tǒng)性地提高其力學性能，兼顧造型設計成為優(yōu)化設計成功的關鍵。

1 造型優(yōu)化設計

產(chǎn)品造型符合使用環(huán)境要求，具有整體協(xié)調(diào)美非常重要。該雷達天線座采用俯仰/方位叉臂式總體結(jié)構形式[1]，天線座總體結(jié)構確定后，方位傳動、俯仰傳動形式及結(jié)構布局基本上不發(fā)生大的變化，針對產(chǎn)品的造型優(yōu)化設計的重點在于使產(chǎn)品外部造型更加協(xié)調(diào)。

通過如圖1所示的草圖設計、細節(jié)設計、整體美化及多次迭代改善了產(chǎn)品外觀美觀度，滿足了人因工程需求，提升了產(chǎn)品的外在使用感受，天線座在造型優(yōu)化設計后具有以下幾點優(yōu)勢：

圖1 造型布局草圖設計

1)天線座整體造型和諧統(tǒng)一、體現(xiàn)了產(chǎn)品硬朗的風格；

2)解決了局部零件之間視覺割裂、拼湊、臃腫的細節(jié)問題；

3)兼顧了后期加工制造的工藝合理性、人機工程交互的合理性等諸多因素。

外部造型優(yōu)化對下一步約束優(yōu)化和構型優(yōu)化提供了努力的方向，內(nèi)部結(jié)構及布局結(jié)合產(chǎn)品功能和性能通過結(jié)構構型優(yōu)化得以統(tǒng)籌提升。

2 約束優(yōu)化設計

天線座的約束包括外部約束和內(nèi)部約束，外部約束主要是天線座和外部基座相連接的約束，內(nèi)部約束主要是各個主要零部件之間相互連接之間的約束。一般情況下，內(nèi)、外部約束多是通過若干個螺栓或者螺栓組連接，如：方位殼體和軸承之間、軸承和杯型件之間、杯型件和俯仰殼體之間的連接均通過螺栓進行連接。

實驗測試表明，螺栓連接作為零件之間載荷傳遞的主要路徑，成為動載荷下最為薄弱的環(huán)節(jié)，一般在振動試驗中容易發(fā)生故障，主要表現(xiàn)為[5-7]：

1)零件連接部位在動載荷作用下發(fā)生局部燒蝕、磨損、開裂等現(xiàn)象；

2)動載荷作用下螺栓發(fā)生疲勞斷裂破壞。

如圖2所示。

圖2 零件振動燒蝕、磨損

該天線座約束優(yōu)化設計的重點在內(nèi)部約束，主要依靠以下四項措施得以解決存在的故障：

1)擴大方位軸承尺寸，提高其抗傾覆力矩能力；

2)增加方位軸承和方位殼體、俯仰殼體零件之間螺栓連接的數(shù)量；

3)優(yōu)化方位軸承和零件之間螺栓連接位置的分布；

4)將原俯仰殼體和杯型件進行合并，如圖3所示，減少螺栓連接的層級。

圖3 俯仰殼體和杯型件合并

通過內(nèi)部約束優(yōu)化，使螺栓的分布排列更加合理、受力更為均勻，增強了方位殼體、俯仰殼體、方位軸承連接處的承載能力，使載荷在天線座內(nèi)部各零件之間傳遞更為順暢有效，從而解決了動載荷下螺栓連接最為薄弱的問題。

由于零件連接處基材的剛強度、受力的合理性與零部件結(jié)構構型緊密相關，因此還需要對結(jié)構的構型進行進一步的優(yōu)化設計。

3 結(jié)構構型優(yōu)化設計

在載荷、外部尺寸與重量等指標限制要求下，對關鍵零部件——俯仰殼體通過拓撲優(yōu)化進行構型優(yōu)化，從而找出結(jié)構的最優(yōu)材料布局、載荷的傳遞路徑、結(jié)構薄弱環(huán)節(jié)等，在保持結(jié)構輕量化的前提下，在滿足內(nèi)、外部約束條件的同時，使天線座剛度指標性能最大、結(jié)構布局合理、應力分布均勻。

本文采用Hyperworks軟件平臺對造型和約束優(yōu)化后的俯仰殼體進行拓撲優(yōu)化設計，進行單元劃分、材料屬性設置、載荷約束等過程[3-4]。俯仰殼體有限元模型如圖4所示。

圖4 俯仰殼體有限元模型

3.1 俯仰殼體設計域的劃分和處理

1)設計域：俯仰殼體拓撲優(yōu)化設計域見圖4中標識區(qū)域。

2)非設計域：下部深色區(qū)域和頂端標識區(qū)域以及俯仰殼體表面預留一層厚度為8mm的2D殼單元。

采用混合拆分處理模式，對俯仰殼體進行拓撲優(yōu)化。

3.2 俯仰殼體拓撲優(yōu)化

在軟件中對模型拓撲優(yōu)化相關參數(shù)進行設置，并對優(yōu)化約束及優(yōu)化目標進行迭代修改，約束結(jié)構的體積分數(shù)為0.15，最小優(yōu)化尺寸為0.12，以結(jié)構整體剛度最大化為目標進行分析，通過若干次迭代分析，最終得到了比較理想的拓撲結(jié)果，如圖5所示。

圖5 拓撲優(yōu)化結(jié)果云圖

3.3 俯仰殼體模型重構

拓撲優(yōu)化結(jié)果的云圖不能夠直接使用于具體的工程設計，必須對拓撲優(yōu)化結(jié)果進行綜合考慮，提取其拓撲特征進行重構，通過構建重構模型的有限元模型，并對新的模型進行尺寸優(yōu)化和加強筋優(yōu)化，給出俯仰殼體的最終設計模型，用于工程實際，如圖6所示。

圖6 俯仰殼體最終優(yōu)化模型參數(shù)

3.4 俯仰殼體內(nèi)部布局優(yōu)化

拓撲優(yōu)化分析結(jié)果除了給出圖6所示的俯仰殼體結(jié)構優(yōu)化加強筋的分布和尺寸以外，針對由于初始設計存在的內(nèi)部零部件布局不合理，造成力學性能不足的問題，給出了內(nèi)部設備安裝布局、結(jié)構開孔更為合理的位置調(diào)整方案，使之和俯仰殼體融為一個整體，共同承載，如圖7所示。

圖7 內(nèi)部布局優(yōu)化模型圖

具體調(diào)整有以下幾點：

1)天線座開孔位置由前部轉(zhuǎn)移到頂部；

2)內(nèi)部電源等模塊結(jié)構直接承受部分載荷；

3)后部窗口由單一腔體改為雙腔體設計；

4)對鑄造加工方案給出了合理的建議和思路。

4 動力學仿真分析

為了驗證天線座整體結(jié)構優(yōu)化的效果，重點對其進行了動力學仿真分析，包括模態(tài)、結(jié)構頻響、沖擊、顛振和抗炮振分析等。本文著重以模態(tài)和結(jié)構頻響分析為例進行了說明。

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構的固有屬性。按照GJB1060.1-1991中的振動試驗要求[8]，仿真掃頻振動輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 掃頻振動輸入?yún)?shù)

通過仿真分析，天線座結(jié)構優(yōu)化前后1～5階固有頻率如表2所示。

表2 天線座優(yōu)化前后1～5階固有頻率

通過表2中結(jié)果可以得出：優(yōu)化后對天線座整體結(jié)構系統(tǒng)力學性能影響最大的一階固有頻率提升63.5%，二階固有頻率提升62.6%，可以得到優(yōu)化后的天線座整體剛度性能獲得了較大提升。

4.2 連接螺孔處應力分析

約束優(yōu)化、構型優(yōu)化后，杯型件和俯仰殼體之間通過螺栓連接的薄弱環(huán)節(jié)已經(jīng)消除。對方位殼體和軸承之間、軸承和俯仰殼體之間的螺栓孔處連接基材進行應力分析，如圖8、圖9應力云圖所示。

圖8 俯仰殼體和軸承連接應力云圖

圖9 軸承和方位殼體連接應力云圖

對比初樣機，螺孔處應力由300MPa降到100MPa左右，遠小于螺孔基材的抗拉極限，滿足性能要求，不會發(fā)生基材燒蝕等現(xiàn)象。

4.3 結(jié)構頻響分析

通過仿真和實驗分析，對天線座影響最大的是一階和二階固有頻率，因此本文重點一階和二階固有頻率共振點進行頻響分析。圖10至圖13給出了響應最嚴酷方向的位移和應力分析結(jié)果。

圖10 一階位移響應云圖

圖11 一階應力響應云圖

圖12 二階位移響應云圖

圖13 二階應力響應云圖

通過圖10至圖13的仿真結(jié)果可以得到：

在一階共振時，天線座位移響應最大為14mm(優(yōu)化前為26mm)，俯仰殼體整體的位移也明顯下降，下半部分位移幾乎可以忽略；最大應力350Mpa在鈦合金撥叉位置上；俯仰殼體總體應力已經(jīng)控制在70～80Mpa之間，棱邊應力在100Mpa左右，應力分布均勻，均在安全范圍內(nèi)，符合疲勞強度要求[7]。

在二階共振時，整體結(jié)構位移更小，最大僅有4mm(優(yōu)化前為18mm)，主要振型為前后點頭；最大應力在鈦合金撥叉位置上，為172Mpa；俯仰殼體最大應力值僅有76Mpa，且應力分布均勻，應力集中點幾乎沒有。

4.4 結(jié)果分析

基于協(xié)同優(yōu)化設計后的天線座整體造型美觀，一次性整體力學性能基本上能夠達到理想的結(jié)果，雖然還具有極少量的應力集中點，如天線座俯仰殼體棱邊、拐角處還存在應力集中點，但是通過過局部修正，很快能夠達到滿意的效果，不需要對整個天線座再進行二次大的修改和重新建模、仿真，付出的代價較小。

5 結(jié)束語

基于協(xié)同優(yōu)化的設計方法和設計思路，有效解決了某艦載天線座在外形尺寸、重量等諸多限制條件下存在的造型美觀問題以及剛度弱、應力超限、應力嚴重分布不均等力學方面的問題，具有一次建模前瞻性較好、結(jié)構整體性較好，同時兼顧了細節(jié)設計，用時較短、費效比高等特點。

協(xié)同優(yōu)化方法不但在解決多個故障交織問題時效果明顯，而且在某一新型裝備結(jié)構設計過程中，相比較傳統(tǒng)的“建模-仿真-修正”設計方法，同樣具有非常重要的優(yōu)勢和使用價值。