基于ANSYS Workbench的某車載雷達天線結(jié)構(gòu)力學分析

濮贊泉,陶 俏

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

天線系統(tǒng)作為車載雷達的核心組成部分,負責信號的發(fā)送和接收[1],如何在滿足性能指標、安全性和機動性的條件下做到重量輕、剛強度高一直是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。車載雷達在運輸和工作姿態(tài)下須要克服各種惡劣環(huán)境,包括風載荷、運輸顛簸等,由此帶來的振動和沖擊會引起結(jié)構(gòu)變形,造成天線指向偏差,嚴重的會影響雷達系統(tǒng)的性能指標[2],所以必須在設(shè)計階段對天線結(jié)構(gòu)在多種載荷、振動和沖擊作用下的響應(yīng)進行精準的分析研究,以保障其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,將其對天線性能的影響控制在可接受范圍內(nèi)。

本文以某車載雷達天線為例,運用有限元軟件對其在不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了仿真分析,得到了該天線系統(tǒng)的固有頻率、振型以及在對應(yīng)工況下的應(yīng)力應(yīng)變云圖,并以此為依據(jù)評判惡劣工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。

1 有限元模型

1.1 模型簡化

該車載雷達天線系統(tǒng)主要由升降桿和天線艙兩部分組成,運輸姿態(tài)下升降桿收回,工作姿態(tài)下升降桿升起。整個系統(tǒng)包含眾多部件,且各部件間存在較為復(fù)雜的連接關(guān)系,因而須要在確保計算精度的條件下對模型進行簡化,不考慮細小部件、過渡圓弧、微小的凸臺和孔、淺槽等結(jié)構(gòu)特征對整體結(jié)構(gòu)剛強度以及振動與沖擊性能的影響,重點對天線結(jié)構(gòu)進行力學分析計算。圖1為簡化后的模型。

(a)運輸姿態(tài) (b)工作姿態(tài)

圖2 網(wǎng)格劃分

1.2 材料選擇

天線艙反射面和蒙板材料為5A05鋁合金,艙體骨架由Q345鋼方管焊接而成,天線艙安裝法蘭、升降桿以及載車平臺底板材料均為Q345鋼,主要性能參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

將簡化后的天線結(jié)構(gòu)模型導入ANSYS Workbench,賦予材料,進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣將直接影響計算結(jié)果的準確性,網(wǎng)格劃分得越細,其計算結(jié)果越精確,但同時計算效率也會降低,并可能引起網(wǎng)格畸變,造成計算結(jié)果偏差,因而須要根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點,選擇尺寸合適的網(wǎng)格尺寸。本文采用尺寸控制法,通過Element Sizing選項來設(shè)置單元尺寸,對可能造成應(yīng)力集中的位置進行網(wǎng)格細化處理,最終有限元模型網(wǎng)格數(shù)量為3 656 638,平均質(zhì)量為0.73,滿足計算要求。

2 結(jié)構(gòu)力學特性分析

2.1 工作姿態(tài)下靜力學分析

該雷達天線系統(tǒng)在工作姿態(tài)下受到的靜載荷主要包括自重和風載荷,其中自重載荷包括升降桿、天線艙及內(nèi)部設(shè)備重量。作用在天線系統(tǒng)上的風載荷可以用下式計算[3]:

F=CFqA

(1)

式中:CF為風阻系數(shù),與結(jié)構(gòu)形狀及雷諾數(shù)有關(guān),參考同類型設(shè)備取1.41[4];q為動壓,其大小與空氣密度有關(guān),在標準大氣壓下,當溫度為15℃時,一般取q=1/16 v2;v為風速,取極限風速35 m/s;A為天線的特征面積。

將上述載荷同時作用在天線結(jié)構(gòu)模型上,進行靜力學仿真,其應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖3所示。

(a)變形云圖

仿真結(jié)果表明:天線在自重、風載荷共同作用下,最大應(yīng)力為43.8 MPa,滿足材料強度要求,能保證在最惡劣的工況下不被破壞。

天線系統(tǒng)在自重、風載荷共同作用下,頂部的最大偏移量為44.3 mm。在工作姿態(tài)下,天線系統(tǒng)頂部的偏移由兩部分疊加而成:一是其在自重和風載荷共同作用下升降桿本身的剛性變形;二是由于升降桿各桿體之間存在結(jié)構(gòu)間隙,各節(jié)桿體間隙累積引起的最大偏移量。升降桿在設(shè)計過程中每節(jié)桿體之間的理論間隙為0.8 mm,經(jīng)計算得出由升降桿每節(jié)桿體之間間隙引起的頂部偏移為17.2 mm,最大總偏移量為61.5 mm,滿足最大偏移量不超過200 mm的設(shè)計要求。

2.2 模態(tài)分析

固有頻率和振型反映結(jié)構(gòu)的振動特性,是動態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù),是開展動力分析的基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)件在外荷載作用下產(chǎn)生的的應(yīng)力和形變都與振動時的頻率和振型相關(guān)[5]。為避免共振導致天線結(jié)構(gòu)因應(yīng)力過大損壞,有必要對系統(tǒng)進行模態(tài)分析,以確定系統(tǒng)的固有頻率和振型。通過仿真得到天線系統(tǒng)前6階的固有頻率如表2所示,前6階振型如圖4所示。

表2 天線系統(tǒng)前6階固有頻率

圖4 天線系統(tǒng)前6階振型

仿真結(jié)果表明:該天線系統(tǒng)前2階固有頻率在16 Hz左右,不在載車平臺的主要共振頻率內(nèi),結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 運輸姿態(tài)下仿真分析

2.3.1 運輸姿態(tài)下振動分析

根據(jù)設(shè)計要求,車載雷達在運輸姿態(tài)下應(yīng)能承受表3的振動條件而不破壞。

表3 振動條件

經(jīng)數(shù)值仿真分析,在該振動條件下,天線最大變形為0.88 mm,最大應(yīng)力為82.05 MPa,出現(xiàn)在天線艙體與升降桿的連接處附近,滿足剛強度設(shè)計要求,應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 振動工況下應(yīng)力分布云圖(3σ)

2.3.2 運輸姿態(tài)下沖擊分析

當車載雷達在運輸過程中受到動態(tài)沖擊時,在慣性力的作用下,其結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生沖擊響應(yīng)和物理變形,為確保天線結(jié)構(gòu)在突然外力和沖擊載荷作用下的可靠性與抗沖擊性,根據(jù)國軍標要求,沖擊條件如表4所示。

表4 沖擊條件

對天線結(jié)構(gòu)分別施加X、Y、Z方向的沖擊載荷。在X方向沖擊作用下,天線結(jié)構(gòu)最大變形為13.49 mm,應(yīng)力在升降桿與載車平臺連接處達到最大,最大應(yīng)力為212.89 MPa,小于桿體材料Q345鋼的屈服強度;在Y方向沖擊作用下,天線結(jié)構(gòu)最大變形為13.54 mm,應(yīng)力在升降桿與載車平臺連接處達到最大,最大應(yīng)力為214.1 MPa,小于桿體材料Q345鋼的屈服強度;在Z方向沖擊作用下,天線結(jié)構(gòu)最大變形為1.89 mm,應(yīng)力在天線艙體與升降桿的連接處達到最大,最大應(yīng)力值為120.97 MPa,小于安裝法蘭材料Q345鋼的屈服強度。根據(jù)仿真結(jié)果,各向應(yīng)力最大值均小于材料屈服強度,天線結(jié)構(gòu)在該沖擊條件下不會發(fā)生破壞,滿足設(shè)計要求。圖6、圖7分別為沖擊作用下的應(yīng)力分布和變形云圖。

(a)X向 (b)Y向 (c)Z向

(a)X向 (b)Y向 (c)Z向

3 結(jié)束語

本文以某車載雷達天線系統(tǒng)為研究對象,基于ANSYS Workbench有限元軟件,對天線結(jié)構(gòu)在不同工況下的力學特征進行了研究。仿真結(jié)果顯示:該天線結(jié)構(gòu)在瞬時12級風載荷和重力載荷作用下,其天線艙頂部的最大橫向偏移量為61.5 mm,最大應(yīng)力為43.8 MPa;在振動載荷作用下,天線結(jié)構(gòu)最大變形為0.88 mm,最大應(yīng)力值為82.05 MPa;在X、Y、Z三個方向沖擊載荷作用下,最大應(yīng)力為214.1 MPa,最大變形為13.54 mm。研究結(jié)果表明該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計可行,整體剛強度較好,滿足設(shè)計要求,為后續(xù)進一步改進優(yōu)化提供了參考。