錢 凱

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

某雷達發(fā)射機的結構設計*

錢 凱

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

固態(tài)發(fā)射機易維護、連續(xù)工作時間長、占用空間小、自重輕，它是新一代機載氣象雷達的關鍵技術。文中探討了一種新型機載固態(tài)發(fā)射機的結構設計方案。從多種設計角度研究發(fā)射機的結構方案，滿足發(fā)射機的使用條件和設計需求。采用三維設計軟件，詳細設計發(fā)射機的結構，對主要受力部件進行力學有限元分析，并修改局部結構外形，以提高性能指標。設計的發(fā)射機性能指標滿足使用要求，為今后新型發(fā)射機的設計提供了一個完整的解決方案。

固態(tài)發(fā)射機；參數(shù)化設計；ANSYS

引 言

近年來隨著微波半導體技術的不斷更新，機載氣象雷達大量采用固態(tài)雷達發(fā)射機。機載氣象雷達是一種觀測飛機航線上大氣運動的雷達。當航線上突然出現(xiàn)危險氣象，機載氣象雷達可及時提醒飛機駕駛人員，保證機上人員生命安全。另外通過多個機載氣象雷達組成的監(jiān)測網(wǎng)可以有效提高對突然出現(xiàn)的氣象災害進行預警的反應時間，使受災地區(qū)的人員和財物及時轉移。目前世界上所有大中型飛機都安裝各種氣象雷達，以便飛機能夠全天候安全飛行。

根據(jù)機載氣象雷達的工作環(huán)境和指標要求，采用的發(fā)射機需要具備連續(xù)工作時間長、低電壓低負載、性能穩(wěn)定、維修時間短、占用空間小、自重輕等優(yōu)點。與真空管發(fā)射機相比，固態(tài)發(fā)射機在以上方面有很大優(yōu)勢。

國外機載氣象雷達發(fā)射機的發(fā)展，從最初的單脈沖雷達發(fā)射機逐步發(fā)展成現(xiàn)在的脈沖多普勒雷達發(fā)射機，美國的ARINC 708A設計規(guī)范是世界通用標準。市場上較為先進的機載氣象雷達有柯林斯公司的WXR-2100型雷達和霍尼韋爾公司的RDR-4000型雷達，兩者均使用固態(tài)發(fā)射機技術[1]。

國內(nèi)機載氣象雷達發(fā)射機起步較遲，我國的機載氣象雷達發(fā)射機與先進國家相比存在較大差距。近年來，出于發(fā)展航空的目的，國內(nèi)對機載氣象雷達發(fā)射機的投入逐步增大。該發(fā)射機采用微波功率模塊，采用通用化、輕量化和抗振技術，是為適應現(xiàn)代發(fā)展的需要而設計的高可靠性、長壽命周期的機載氣象雷達發(fā)射機。

1 雷達發(fā)射機結構方案設計

該型發(fā)射機采用固態(tài)發(fā)射模式，由兩個鏡像的發(fā)射組件構成，每個發(fā)射組件包括前級功率放大器、末級功率放大器、功率分配器/合成器、控制保護電路、調(diào)制電路等部分組成。發(fā)射機內(nèi)部布局見圖1。發(fā)射機通過ARINC 600插座輸入信號及供電，采用同軸波導合成器合成輸出，輸出端口為標準BJ100波導。外形尺寸不超過90 mm×300 mm×280 mm(寬×深×高)，質量不超過7.5 kg。

圖1 發(fā)射機內(nèi)部布局

1.1 發(fā)射機的工業(yè)造型設計

根據(jù)需求，發(fā)射機作為一個獨立的可更換單元安裝在天線座中。在方案設計階段做好外觀設計，可使雷達各部分間協(xié)調(diào)統(tǒng)一，簡潔大方，并富有時代氣息。工業(yè)造型設計時先對整體形象進行構思和設計，使用計算機制作三維外觀效果圖，對局部的風格、形態(tài)、尺寸比例、色彩等進行設計和完善，選擇外形優(yōu)美的材料和工藝，設計銘牌、標識等，制作發(fā)射機模型，確定發(fā)射機造型方案[2]。參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品，根據(jù)機載雷達的特點，設計發(fā)射機的結構外形如圖2所示。

圖2 發(fā)射機的結構外形

該結構有以下幾個特點：

1)機殼上安裝不銹鋼把手和快速鎖緊/解鎖裝置，把手交錯布置，充分考慮人體工程學，使操作和維修難度小，設備易維修；

2)發(fā)射機機殼避免尖銳棱角，與其他單元一致，體現(xiàn)造型的統(tǒng)一性，局部使用圓弧過渡，在形狀相似的基礎上增加不同特點，互相襯托，產(chǎn)生對比感，使造型更加生動，具有視覺美感，同時也保證發(fā)射機維修安全性；

3)發(fā)射機機殼采用一體化設計，由兩部分焊接而成，焊接部分在機殼內(nèi)部，避免外形上出現(xiàn)多余線條，也增強結構剛強度；

4)發(fā)射機蓋板的固定螺釘凹進蓋板安裝，避免造型被螺釘分割，體現(xiàn)造型的統(tǒng)一；

5)減少對外接口，減小發(fā)射機體積，并使機殼外形更加完整；

6)按雷達的要求，選擇合適的機殼顏色，把手采用合適的電鍍涂覆工藝，在適當位置安裝醒目的黑色銘牌。

1.2 發(fā)射機的輕型化和加固設計

根據(jù)雷達發(fā)射機的需求，發(fā)射機設計時要合理安排元器件布局，盡量縮小發(fā)射機結構，對機殼進行輕型化設計。按照一般思路可將發(fā)射機拆分為兩個獨立組件，每個組件有獨立的風冷翅片與風道，組件之間采用螺釘固定。這種方案只考慮了加工的方便與否，兩個組件之間的安裝面厚度有很大冗余，還增加了機殼外形尺寸，造型上不美觀。參考鋁合金機箱的釬焊方式，對機殼結構進行改進，劃分為兩部分，之間采用焊接結構形式，散熱翅片和隔板焊接前事先定位，焊接完畢后對殼體進行精加工。如圖3所示。

圖3 發(fā)射機的殼體毛坯結構外形

該方案的機殼外部無多余接縫，充分利用機殼空間，與原有方案相比體積和重量得到控制，達到良好的電磁屏蔽和“三防”效果，發(fā)射機具有良好的可維修性。機殼的兩塊蓋板為鋁合金材質，為保證足夠的結構強度，進行整體銑削加工。內(nèi)部有加強筋和密封槽。發(fā)射機中質量大于5 g或引線外徑小于0.3 mm的元器件，用輔助的卡箍固定，或將器件整體灌封成模塊。發(fā)射機內(nèi)盡量不用可調(diào)元器件，必須使用時，應有可靠的鎖緊措施。使用螺釘、螺栓等緊固件時，應采用防松措施，在鋁合金上不宜直接加工螺紋，采用普通型有折斷槽鋼絲螺套。發(fā)射機與天線座的固定采用定位銷與松不脫螺釘形式，其耐振動沖擊性能已在長期使用過程中得到驗證。

1.3 發(fā)射機的電磁兼容設計

雷達設備的電磁干擾源可分為自然干擾源和人為干擾源。本發(fā)射機所處工作條件相當惡劣，內(nèi)部元器件安裝緊湊，并與其他機載設備一起緊密地安裝在機體內(nèi)，內(nèi)部電磁干擾相當嚴重，有連續(xù)波干擾源、瞬態(tài)干擾源和非線性現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾源。應重視電磁兼容設計，抑制發(fā)射機本身產(chǎn)生的干擾。結構設計應主要從屏蔽和接地兩方面來提高發(fā)射機的電磁兼容性[3]。

發(fā)射單元殼體設計時，選用鋁合金材料，除因維修需拆卸的蓋板可用螺釘連接外，其余采用焊接的結構形式。蓋板與殼體接合處重疊面積大，有足夠的縫隙尺寸；相鄰螺釘?shù)拈g距與螺釘?shù)耐鈴?、抗電磁干擾襯墊壓縮量等相匹配，有足夠小的縫隙寬度。蓋板與殼體貼合面和元器件在機殼上的貼合面加裝抗電磁干擾襯墊，使電連接不間斷。貼合面使用易導電、有彈性、具有最小的寬厚比的抗電磁干擾襯墊，形成可靠的電氣連接。嚴格控制箱體和蓋板上的開口、孔洞、縫隙的數(shù)量、位置、大小和外形，并采用特殊的抗電磁干擾材料和選擇合適的外形，減小對屏蔽性能的影響。在結構布局時，高電平模塊及數(shù)字電路模塊遠離低電平模塊或在其間采取屏蔽隔離措施。干擾源與易受干擾的電路傳輸線的布線要隔離。為避免腔體效應，增加隔墻將電路隔離開[3]。

2 發(fā)射機的結構設計

如前所述，發(fā)射機的殼體采用焊接技術，殼體由兩個主體部分組成，兩部分之間通過鋁螺釘固定，焊接部位布置于殼體內(nèi)部，散熱翅片和隔板焊接前事先定位，焊接完畢后對殼體進行精加工，如圖3所示。該方案的機殼外部無多余接縫，充分利用機殼空間，達到良好的電磁屏蔽和“三防”效果，發(fā)射機具有良好的可維修性。

機殼的兩塊蓋板為鋁合金材質，為保證足夠的結構強度，進行整體銑削加工。內(nèi)部有加強筋和密封槽。圖4為蓋板外形示意圖。

圖4 蓋板外形示意圖

在建立機殼所有零部件模型后，將其組合安裝。安裝時遵循以下原則：先安裝殼體，后安裝附屬零件，最后安裝固定件。為避免機殼裝配關系混亂的情況發(fā)生，可采用Top-down技術建立發(fā)射機內(nèi)部結構關系。零部件具體設計前，首先創(chuàng)建機殼組件，并按照零部件所屬關系掛接下屬零部件。圖5為完成裝配的機殼示意圖。

圖5 機殼示意圖

3 殼體的有限元分析

發(fā)射機殼體是發(fā)射機的結構主體，它是發(fā)射機內(nèi)所有元器件的安裝平臺。因為要承受發(fā)射機內(nèi)外的大部分載荷，因此要求殼體滿足發(fā)射機的設計布局需求、結構尺寸小、重量輕、能承受一定的壓力和變形。

3.1 殼體模型的靜力分析

因為已使用Pro/ENGINEER軟件建立機殼的三維模型，可簡化模型后導入ANSYS軟件。根據(jù)工作情況，對殼體的局部做以下修改和變更：去除對結構強度影響不大的部分，如散熱翅片、所有的元器件固定孔、腔體內(nèi)的部分小平面、內(nèi)部隔墻上的缺口以及小凸臺。

由于ANSYS Workbench自帶的材料庫里包括鋁合金材料，設計師可以直接調(diào)用鋁合金的材料屬性。考慮到工程實際情況，發(fā)射機殼體采用自動劃分法劃分網(wǎng)格，見圖6。

圖6 已劃分網(wǎng)格的殼體

按照設計要求與工程實際，對殼體施加重力加速度、75 N力載荷以及多處固定約束。如圖7所示。

圖7 已施加載荷與約束的殼體

對殼體的求解結果中，選取等效應力(Equivalent Stress)、總體變形(Total Deformation)為結果對象。等效應力、總體變形分布云圖如圖8所示。最大應力未超過殼體的許用應力，機殼變形未出現(xiàn)較大的變形突變區(qū)域。因此，從整體上看，機殼結構達到所需強度指標。

圖8 等效應力與總體變形分布云圖

3.2 殼體模型的模態(tài)分析

一個多自由度線性系統(tǒng)擁有與自由度數(shù)目相同的固有頻率。系統(tǒng)的每種固有頻率均有相應的振型及其他振動特性，統(tǒng)稱模態(tài)。模態(tài)分析是分析系統(tǒng)關于振動的固有特性的過程，是譜分析、隨機振動分析的前置步驟。

因為該型發(fā)射機安裝位置在飛機機艙內(nèi)，應滿足一定的振動條件。詳細設計時，可通過模態(tài)分析確定發(fā)射機中關鍵部件的固有振動特性，以避免關鍵部件在實際使用時發(fā)生共振現(xiàn)象，從而確保發(fā)射機正常工作并減少振動和噪聲。

ANSYS Workbench軟件中進行模態(tài)分析的一般步驟為：建立有限元模型；設定材料屬性，定義接觸對，不施加外載荷，劃分網(wǎng)格；求解并查看結果[4]。

殼體在進行模態(tài)分析時，只研究自由振動條件下的振動情況。圖9～圖14是殼體初始模型的前六階固有頻率和振型。

圖9 殼體一階固有頻率和振型(659.97 Hz)

圖10 殼體二階固有頻率和振型(686.84 Hz)

圖11 殼體三階固有頻率和振型(1369 Hz)

圖12 殼體四階固有頻率和振型(1402.4 Hz)

圖13 殼體五階固有頻率和振型(1436.9 Hz)

圖14 殼體六階固有頻率和振型(1453.1 Hz)

分析殼體前六階固有頻率和振型云圖，可以直觀地發(fā)現(xiàn)發(fā)射機殼體中部是振動的薄弱環(huán)節(jié)。這是因為殼體中部大量區(qū)域為沒有加強筋的平面，結構強度較低。出于布線的需要，平面上無法布置加強筋，但會增加零件以加強薄弱區(qū)域的結構。

3.3 殼體的改進設計及分析

殼體作為發(fā)射機結構主體，其質量和剛強度對發(fā)射機的振動特性有很大影響。下面參考減重因素，對殼體做改進設計，并進行有限元分析。具體改進：降低殼體局部壁厚，在局部位置增加減重槽，如圖15所示。

圖15 修改的殼體示意圖

圖16～圖21是改進后殼體的前六階固有頻率和振型。圖22是改進后殼體的等效應力與總體應變云圖。

圖16 改進后殼體一階固有頻率和振型(654.02 Hz)

圖18 改進后殼體三階固有頻率和振型(1364.3 Hz)

圖19 改進后殼體四階固有頻率和振型(1398.7 Hz)

圖20 改進后殼體五階固有頻率和振型(1418.9 Hz)

圖21 改進后殼體六階固有頻率和振型(1477 Hz)

圖22 改進后殼體的等效應力與總體變形分布云圖

由圖可見，改進后殼體的質量為3.02 kg，比原來減輕6.4%，固有頻率略有下降，而殼體的等效應力與總體變形基本無變化，剛強度未受影響。綜合考慮雷達對發(fā)射機質量和振動指標的要求，認為改進后殼體是較好的設計方案。

4 結束語

本文主要探討一種機載氣象雷達固態(tài)發(fā)射機的結構設計。根據(jù)發(fā)射機的需求，從多個方面對發(fā)射機的結構方案進行論證，提出較理想的解決方案。根據(jù)有限元法的基本理論，采用ANSYS Workbench軟件對作為發(fā)射機關鍵部件的殼體進行力學分析和減重設計，保證了發(fā)射機的剛強度要求，完善原有設計方案，提高了發(fā)射機指標。

[1] 蔣慶全. 民用機載氣象雷達發(fā)展評述[J]. 電子科學技術評論, 2004(4): 39-46.

[2] 張鄂, 買買提明. 現(xiàn)代設計理論與方法[M]. 北京: 科學出版社, 2008.

[3] 陳淑鳳, 馬蔚宇, 馬曉慶. 電磁兼容設計[M]. 北京: 北京郵電大學出版社, 2001.

[4] 紀?；? Ansys Workbench在卡扣裝配分析中的應用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2008(8): 48-49, 131.

錢 凱(1980-)， 男，工程師，主要從事固態(tài)雷達發(fā)射機結構設計工作。

Structure Design of a Radar Transmitter

QIAN Kai

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Solid-state transmitter has advantages of easy maintenance, long continuous working time, small cubage and light weight. It is the key technology of the new generation of airborne weather radars. The structural design of a new airborne solid-state transmitter is presented in the paper. The structure scheme of the transmitter is investigated from many perspectives of the design, which meets the application conditions and the design requirements. The modular and custom-built transmitter is realized using a three-dimensional parametric design software, and the structure of the transmitter is shown in detail. The main forced components of the transmitter are analyzed in mechanical finite element design, and the local structure shape is modified to improve performance. The designed transmitter meets the application performance requirements, and provides a reference for the design of future new generation transmitters.

solid-state transmitter; parametric design; ANSYS

2014-02-24

TN957.8+3

A

1008-5300(2014)04-0042-05