某大型相控陣?yán)走_(dá)天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱志遠(yuǎn), 張?jiān)鎏?/p>

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)已成為當(dāng)今各國(guó)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。為滿足空間目標(biāo)探測(cè)、跟蹤的需求，相控陣?yán)走_(dá)朝著多設(shè)備、大口徑、重載荷、高精度等特點(diǎn)發(fā)展。天線骨架作為相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)支撐、精度保證和設(shè)備安裝基礎(chǔ)，必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度和拼接精度的要求。本文針對(duì)大型相控陣?yán)走_(dá)的上述特點(diǎn)，綜合天線陣面布局情況，對(duì)某相控陣?yán)走_(dá)天線骨架設(shè)計(jì)作詳細(xì)闡述。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

某大型固定相控陣?yán)走_(dá)口徑面積上百平方米，共安裝近2萬個(gè)天線單元和大量電子設(shè)備。天線骨架中部左右兩端通過圓形法蘭固定于大承載精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，其主要功能在于保證天線陣面設(shè)備的安裝及精度要求，并提供足夠的剛強(qiáng)度支撐，保證電子設(shè)備的全維護(hù)。天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

1) 天線骨架陣面安裝位置精度誤差三個(gè)方向≤0.6 mm(RMS)；

2) 天線陣面法向最大動(dòng)態(tài)變形≤6 mm；

3) 符合公路運(yùn)輸和異地安裝要求。

根據(jù)天線單元的分布情況和總體設(shè)計(jì)要求，天線骨架最大外形尺寸為12 m(長(zhǎng))×11.07 m(高)×1.6 m(寬)，如圖1所示。

圖1 天線骨架外形尺寸

2 天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 天線骨架結(jié)構(gòu)分塊設(shè)計(jì)

根據(jù)天線單元的分布形式、骨架的機(jī)械加工和內(nèi)部設(shè)備維修空間等因素，同時(shí)為了滿足天線骨架的公路運(yùn)輸條件，使每個(gè)骨架運(yùn)輸單元符合GJB2948-97《運(yùn)載裝載尺寸與重量限制》，采用13 m半掛車運(yùn)輸，分塊后的每片骨架截面尺寸不應(yīng)大于2.5 m×2.6 m，重量小于34 t。綜合以上因素，如圖2所示，將天線骨架分為5塊子骨架：邊骨架、次邊骨架、中骨架、次邊骨架和邊骨架，每塊子骨架結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量如表1所示，滿足公路運(yùn)輸要求。中骨架為主要承力骨架，通過兩端的圓形法蘭與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，上下與各邊骨架連接。

表1 天線骨架運(yùn)輸單元

圖2 天線骨架分塊示意圖

2.2 天線骨架精度分析

對(duì)于大口徑、高頻段的有源相控陣?yán)走_(dá)天線，天線陣面精度要求越來越高，并且隨著雷達(dá)頻段逐漸變高，對(duì)結(jié)構(gòu)精度要求更高。天線結(jié)構(gòu)精度主要包括兩個(gè)方面：面精度和單元位置精度。根據(jù)該天線骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，影響天線結(jié)構(gòu)精度的因素取決于以下幾個(gè)部分：

1) 天線骨架自身剛度；

2) 子骨架陣子安裝面及拼裝面加工精度；

3) 5塊子骨架相互拼裝精度。

通過加工制造和裝配進(jìn)行精度控制，達(dá)到滿足誤差分析指標(biāo)要求。子骨架最大外形尺寸為12 m×2.214 m×1.6 m，為防止由于加工溫度的變化造成材料的熱脹冷縮，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的加工精度。設(shè)計(jì)中要求骨架全程在恒溫車間采用高速龍門銑完成加工，長(zhǎng)度方向最大加工誤差≤0.25 mm。傳統(tǒng)的大型結(jié)構(gòu)件加工，往往不考慮結(jié)構(gòu)自重因素的影響，直接將結(jié)構(gòu)件通過工裝壓實(shí)在機(jī)床上，與實(shí)際邊界條件不相符。實(shí)際加工時(shí)，各子骨架在機(jī)床上的裝夾位置與拼裝位置保持一致，最大程度地消除骨架自重變形對(duì)結(jié)構(gòu)面精度的影響，能夠使單片子骨架拼裝后的平面精度≤0.3 mm。子骨架的拼裝是天線骨架能否達(dá)到精度要求的關(guān)鍵。由于骨架尺寸大，每片骨架拼裝時(shí)采用過定位的方式進(jìn)行定位設(shè)計(jì)，即在拼裝面兩側(cè)和中間前后面各采用2個(gè)高精度的定位銷進(jìn)行定位，各子骨架間拼裝精度小于≤0.2 mm。

以上3種誤差對(duì)陣面面精度的影響可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的，因此可以用以下公式對(duì)陣面面精度誤差作近似計(jì)算：

(1)

由以上分析得知，極限情況下天線陣面精度最大值為0.44 mm，滿足陣面精度小于0.6 mm的設(shè)計(jì)要求。

2.3 子骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線骨架共分為5塊子骨架，每塊子骨架采用比剛度大和荷重比大的空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。骨架的主承力框架采用H型鋼與U型鋼焊接而成，非承力部位采用L型角鋼斷續(xù)焊接，最大程度上減少由于大面積的拼焊造成骨架的焊接變形和焊接應(yīng)力?？紤]到雷達(dá)系統(tǒng)架設(shè)地點(diǎn)，骨架上所有承力結(jié)構(gòu)件均采用抗低溫性能優(yōu)良的Q355D鋼材。

由于5塊子骨架結(jié)構(gòu)類型相似，本文僅針對(duì)作為主要承力部件的中骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述，其余子骨架設(shè)計(jì)思路與此相同，如圖3所示。根據(jù)天線骨架與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的連接方式，中骨架除承受自身重量外，還承擔(dān)著兩側(cè)邊骨架及設(shè)備的全部載荷，包含骨架共計(jì)約70 t載荷。

圖3 中骨架示意圖

中骨架上下各有多個(gè)法蘭分別焊接在縱橫梁相交處并與上下兩側(cè)邊骨架連接。上下及后側(cè)焊接斜筋加強(qiáng)中骨架的穩(wěn)定性。骨架內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，方便設(shè)備維修。中骨架前端為天線單元的安裝面，為保證天線單元的良好接地電性能以及防腐性能，安裝面均采用316L不銹鋼板與中骨架焊接。

圖4 端框結(jié)構(gòu)圖

中骨架左右兩端與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸連接，為了提高接口處的承載、抗彎能力，將接口處設(shè)計(jì)為薄壁與板筋加強(qiáng)的箱式輻射狀結(jié)構(gòu)形式，主軸貫穿箱體與射狀筋焊接。薄壁輻射狀箱梁結(jié)構(gòu)作為應(yīng)力緩沖處，避免了兩端受力過大而造成應(yīng)力集中。考慮到雷達(dá)天線陣面載荷分布情況，與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的主軸在結(jié)構(gòu)上采用偏心設(shè)計(jì)，減少由于雷達(dá)天線陣面重心位置的偏心對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來不必要的偏心載荷，進(jìn)而增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用效率。主軸內(nèi)側(cè)凹止口結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接面配合軸向定位，如圖4所示。

3 子骨架連接強(qiáng)度分析3.1 骨架與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接分析

天線陣面系統(tǒng)共約70 t，通過中骨架兩端主軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，屬于典型的大型結(jié)構(gòu)軸系連接，本結(jié)構(gòu)采用20顆M36的液壓螺栓進(jìn)行連接，能夠解決傳統(tǒng)螺栓抗剪性能差、螺栓受力不均勻等缺點(diǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)傳遞給天線骨架的有效力矩=400 kN·m,同時(shí)考慮到電機(jī)啟動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的瞬時(shí)過載，引入安全系數(shù)=3，則計(jì)算扭矩=·=1 200 kN·m。液壓螺栓承受最大剪切力為

(2)

式中,為螺栓至轉(zhuǎn)軸中心的距離，為天線陣面系統(tǒng)重力，為螺栓數(shù)量，故螺栓承受的最大剪切力為

(3)

M36的液壓螺栓允許最大剪切力為245 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 子骨架間連接分析

子骨架通過88顆M20螺栓與中骨架、次邊骨架、邊骨架之間的法蘭面依次連接，每顆螺栓按照保證載荷的60%預(yù)緊力緊固。在工作過程中，螺栓組主要受重力和翻轉(zhuǎn)力矩的作用，保證在預(yù)緊力作用下各法蘭面不相對(duì)滑移并且不被壓潰或分離。當(dāng)天線骨架翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)時(shí)，中骨架與次邊骨架法蘭連接處所受的重力和翻轉(zhuǎn)力矩最大。

每顆M20螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)緊力為

=0.6×147=88.2 kN

(4)

保證法蘭不相對(duì)滑移所需的螺栓預(yù)緊力：

(5)

所以法蘭面不會(huì)發(fā)生滑移。式中，為螺栓組所受的橫向外力，為摩擦系數(shù)，為摩擦面數(shù)量，為螺栓數(shù)量，為考慮摩擦系數(shù)不穩(wěn)定而引入的可靠性系數(shù)。

保證接合面最大受壓處不被壓潰的條件：

(6)

式中，為螺栓組法蘭接合面受壓面積，為螺栓組接合面抗彎截面系數(shù)，為螺栓組所受翻轉(zhuǎn)力矩，為接合面允許擠壓應(yīng)力：

=0.8×345=276 MPa

(7)

(8)

保證接合面不分離的條件：

(9)

(10)

經(jīng)過計(jì)算，各子骨架之間連接滿足不滑移、不被壓潰和不分離條件。

4 天線骨架力學(xué)仿真分析

天線骨架主要所受載荷包括重力、溫差、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和緊急制動(dòng)等綜合載荷。根據(jù)具體結(jié)構(gòu)特征以及有限元建?；驹瓌t，建立有限元簡(jiǎn)化模型。天線支撐座安裝轉(zhuǎn)軸處、天線轉(zhuǎn)軸、各骨架安裝法蘭采用實(shí)體單元；薄壁梁結(jié)構(gòu)、型鋼等采用板殼單元。負(fù)載采用質(zhì)量單元加載在骨架相應(yīng)位置。為了更真實(shí)地反映天線骨架的受力條件，建模時(shí)將兩端轉(zhuǎn)臺(tái)一并考慮。天線骨架有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

4.1 天線骨架剛度分析

天線骨架在綜合載荷作用下，針對(duì)天線陣面工作仰角為0°、30°、60°三種工作狀態(tài)下對(duì)天線骨架安裝面各向變形量進(jìn)行有限元仿真，天線骨架在各工況下最大變形云圖如圖6所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖6 骨架最大變形云圖

表2 陣面安裝面最大變形

計(jì)算結(jié)果表明：天線骨架具有較大的剛度，天線陣面動(dòng)態(tài)最大法向變形為4.8 mm，滿足變形量小于6 mm的設(shè)計(jì)要求。

4.2 天線骨架強(qiáng)度分析

為了保證天線骨架整體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，確保人員、設(shè)備安全，需對(duì)天線骨架在可能遇到的各種工況下進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。經(jīng)過力學(xué)仿真計(jì)算，天線骨架在各極限工況下的最大應(yīng)力如表3所示，骨架最大應(yīng)力云圖如圖7所示。

表3 各工況下骨架最大應(yīng)力

圖7 骨架最大應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果表明，各工況下天線骨架最大應(yīng)力=170 MPa，天線骨架材料為Q355鋼，厚度小于16 mm，屈服強(qiáng)度[]≥355 MPa，骨架的安全裕度為

(11)

式中為安全系數(shù)，取1.3。安全裕度大于0，天線骨架在各工況下滿足安全設(shè)計(jì)要求。

5 試驗(yàn)測(cè)量

圖8 制造拼裝精度測(cè)量實(shí)物圖

圖9 天線骨架動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)物圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析與力學(xué)仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)天線骨架陣面精度實(shí)物分別作靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)精度測(cè)量。如圖8所示，將拼接完成的天線骨架水平放置，僅中骨架兩端支撐，采用激光跟蹤儀測(cè)量方法，測(cè)得天線骨架拼裝后陣面精度為0.25 mm，小于理論分析極限值。如圖9所示，將模擬載荷加載在天線陣面，模擬天線工作狀態(tài)，測(cè)得在60°夾角位置天線陣面最大法向動(dòng)態(tài)變形為4.54 mm，相對(duì)于仿真分析小5.4%。由于加載試驗(yàn)采用的整塊鋼板作為負(fù)載，對(duì)天線骨架的剛度有一定貢獻(xiàn)，所以實(shí)測(cè)變形值與力學(xué)仿真分析數(shù)值相比略小，屬于允許誤差范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文以某大型相控陣?yán)走_(dá)天線骨架為研究對(duì)象，針對(duì)天線口徑大、精度要求高、載荷量大等特點(diǎn)，在天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局、陣面精度分析、關(guān)鍵連接部位的強(qiáng)度分析以及天線骨架力學(xué)仿真計(jì)算等方面進(jìn)行了深入的研究。最后通過對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了該骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。由此可見，本文研究?jī)?nèi)容的相關(guān)流程、思路和方法可作為此類型天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有益的借鑒，也會(huì)隨著設(shè)計(jì)手段和測(cè)量方法的不斷發(fā)展而深化。