樊友軍，王乾峰，仙 錦

(南湖機(jī)械總廠，湖北 荊州 434007)

某雷達(dá)天線主塔受力分析

樊友軍，王乾峰，仙 錦

(南湖機(jī)械總廠，湖北 荊州 434007)

米波雷達(dá)由于天線陣面口徑大，天線主塔受力復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在某型雷達(dá)的研制過(guò)程中，對(duì)主塔的受力情況進(jìn)行了仿真分析，在樣機(jī)上對(duì)仿真狀態(tài)下的應(yīng)力進(jìn)行了理論計(jì)算、仿真分析和應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)理論計(jì)算、仿真分析和應(yīng)力測(cè)試3種方法所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果存在一定的差異。對(duì)產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了分析，找出應(yīng)力變化、傳遞的規(guī)律，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

雷達(dá)；天線；主塔；應(yīng)力；仿真；測(cè)試

圖1 某系列雷達(dá)主塔結(jié)構(gòu)形式示意圖

由于米波雷達(dá)單元天線布局稀疏，陣面口徑較大，天線陣面結(jié)構(gòu)常以天線主塔為基礎(chǔ)展開(kāi)布置。隨著新技術(shù)在雷達(dá)天線上的應(yīng)用，某系列雷達(dá)天線陣面的重量由不足2t增加至近7t；為了提高雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性，天線的舉升/倒架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由手動(dòng)+電動(dòng)絞車、電動(dòng)絲桿螺母衍變?yōu)榈揭簤簜鲃?dòng)，時(shí)間由20min縮短至3min。因此，其主塔的結(jié)構(gòu)形式由簡(jiǎn)單的桁架結(jié)構(gòu)衍變?yōu)橄涫桨鍓K復(fù)合桁架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。雷達(dá)工作時(shí)，天線陣面所承受的載荷通過(guò)主塔傳遞到轉(zhuǎn)盤及天線座車上，主塔結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度直接影響到天線的穩(wěn)定性和指向精度[1]。下面，筆者根據(jù)天線陣面預(yù)計(jì)的載荷對(duì)主塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Ansys軟件對(duì)主塔進(jìn)行仿真分析，及時(shí)修改設(shè)計(jì)參數(shù)，在樣機(jī)上進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)對(duì)理論計(jì)算、仿真分析和應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，找出應(yīng)力變化、傳遞的規(guī)律，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工況及分析說(shuō)明

1.1工況

1.2分析說(shuō)明

通過(guò)前期計(jì)算，天線主塔在舉升的初始狀態(tài)時(shí)受力最大，工作狀態(tài)時(shí)天線陣面在風(fēng)載作用下對(duì)座車抗傾覆支腿產(chǎn)生的傾覆力矩最大。筆者僅研究主塔的受力情況，故在進(jìn)行計(jì)算、仿真和測(cè)試的過(guò)程中只考慮天線舉升初始狀態(tài)時(shí)在自重的作用下對(duì)主塔所產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力。

2 仿真分析

主塔結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單的桁架結(jié)構(gòu)衍變?yōu)橄涫桨鍓K復(fù)合桁架結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為典型的板殼結(jié)構(gòu)，采用板殼模型進(jìn)行計(jì)算能較好的反映主塔的實(shí)際受力情況。三維板殼幾何模型的具體結(jié)構(gòu)形式、幾何形狀、尺寸參數(shù)及各構(gòu)件的連接關(guān)系均與原結(jié)構(gòu)保持一致，不做過(guò)多的簡(jiǎn)化，假設(shè)各構(gòu)件的焊接為理想焊接。主塔選用的材料為Q345B，密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，許用應(yīng)力σ=220MPa。按照主塔舉升的初始狀態(tài)時(shí)受力情況對(duì)模型給定載荷，經(jīng)分析主塔應(yīng)力云圖如圖2所示，各點(diǎn)應(yīng)力值見(jiàn)表1(“-”表示拉應(yīng)力)。

圖2 主塔應(yīng)力云圖

3 應(yīng)力測(cè)試

試驗(yàn)采用電測(cè)法對(duì)雷達(dá)主塔進(jìn)行應(yīng)力分析。電測(cè)法主要是通過(guò)貼在構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變片，將被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片的電阻變化，再利用電阻應(yīng)變儀測(cè)出應(yīng)變片的電阻變量，并直接轉(zhuǎn)換輸出應(yīng)變值,然后依據(jù)虎克定律計(jì)算出構(gòu)件被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值的大小，是將物理量、力學(xué)量、機(jī)械量等非電量通過(guò)敏感元件轉(zhuǎn)換成電量來(lái)進(jìn)行測(cè)量的一種方法[2]。電阻變量與應(yīng)變值關(guān)系如下：

式中,Ks為金屬細(xì)絲的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)；R、l分別為敏感柵金屬細(xì)絲的電阻、長(zhǎng)度；ΔR、Δl分別為測(cè)試前后金屬細(xì)絲的電阻、長(zhǎng)度變化量。

圖3 測(cè)量電橋

試驗(yàn)采用TST3826靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，最高采樣頻率1Hz；最高分辨率1με；測(cè)量應(yīng)變范圍±20000με。3片直角應(yīng)變花若干(電阻119.8±1Ω，靈敏系數(shù)2.08%±1%，柵長(zhǎng)×柵寬：5 mm×3mm)。

為消除溫度變化等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，分組對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償，如圖3所示。采集舉升初始狀態(tài)下主塔上應(yīng)變片的應(yīng)變值，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于設(shè)備誤差，倒架狀態(tài)的初始應(yīng)變?yōu)?，主塔離開(kāi)支架后所測(cè)應(yīng)變值也存在一定的波動(dòng)。為減小誤差，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：將倒架狀態(tài)和恢復(fù)到倒架狀態(tài)的應(yīng)變值取平均，作為初始應(yīng)變；將舉升初始狀態(tài)下的較穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)取平均，作為測(cè)量應(yīng)變值；將測(cè)量應(yīng)變值減去初始應(yīng)變值，得到該點(diǎn)最終實(shí)測(cè)應(yīng)變值。各點(diǎn)應(yīng)力值見(jiàn)表1。

安徽省全椒縣引入PPP模式進(jìn)行農(nóng)村垃圾治理，引入新技術(shù)，創(chuàng)新了垃圾治理思路，促進(jìn)政府、環(huán)境、市場(chǎng)及百姓共贏局面的形成，初步取得良好效果。

4 理論計(jì)算

對(duì)主塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后，按照靜力學(xué)和材料力學(xué)的方法對(duì)主塔特殊部位進(jìn)行受力分析。

4.1支座定點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

4.2側(cè)壁前面應(yīng)力情況

轉(zhuǎn)點(diǎn)受力簡(jiǎn)圖如圖5所示，其中F1,F2,F3為拉力，N。

圖4 支座受力示意圖 圖5 轉(zhuǎn)點(diǎn)受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)平面任意力系的平衡方程有：

F1cos4°+F2cos33°-F3cos87°+71.3×104=0

F1sin4°+F2sin33°+F3sin87°+3.6×104=0 32F1-42F2+240F3=0

得：

F1=-62.15×104NF2=-10.54×104NF3=6.44×104N

從而應(yīng)力σ1，σ3計(jì)算如下：

5 數(shù)據(jù)比對(duì)分析

表1 應(yīng)力值對(duì)比表

主塔各點(diǎn)測(cè)試應(yīng)力值、有限元仿真分析應(yīng)力值和特殊點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力值見(jiàn)表1。通過(guò)比較可以看出，有限元分析、應(yīng)力測(cè)試和理論計(jì)算的結(jié)果存在一定的差異，造成差異的原因主要有以下幾點(diǎn)：①在對(duì)復(fù)雜的空間桁架結(jié)構(gòu)建模時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化或近似處理，對(duì)仿真的結(jié)果有一定的影響；②在應(yīng)變片粘貼的初始狀態(tài)與有限元分析的邊界條件不一致，導(dǎo)致結(jié)果存在一定差異[3]；③理論計(jì)算時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，使其計(jì)算結(jié)果存在一定的差異。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型雷達(dá)天線主塔在特定的受力環(huán)境下進(jìn)行有限元分析、應(yīng)力測(cè)試和理論計(jì)算的應(yīng)力值進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)其值存在一定的差異，但其變化趨勢(shì)一致。對(duì)產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了分析，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。在進(jìn)行受力分析和驗(yàn)算時(shí)應(yīng)采取多種方式，力求與實(shí)際工作狀態(tài)相近，其結(jié)果將對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到更好的指導(dǎo)作用。

[1]朱鐘淦，葉尚輝.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

[2]王琦.電測(cè)法在應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用簡(jiǎn)述[J].濰坊高等職業(yè)教育，2009，5(4)：67-68.

[3]王曉紅，朱志遠(yuǎn).某雷達(dá)前梁的應(yīng)力測(cè)試及仿真分析[J].電子機(jī)械工程，2009，25(5)：53-55.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.047

TN957.8；TP15

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1673-1409(2012)06-N145-03