黃 瀟，譚貴紅

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某雷達天線骨架仿真與測試分析

黃 瀟，譚貴紅

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

天線骨架是雷達接收、發(fā)射、天饋分系統(tǒng)的基礎部件，為整個天線系統(tǒng)的主承力結構。風載荷是天線骨架需要承受的主要外負載。文中采用有限元方法對天線骨架在自重和風載荷組合作用下的剛強度進行了仿真分析，然后考慮風載荷的作用對天線骨架進行了實際力學試驗，并對仿真設計計算進行了驗證分析。結果表明：有限元分析結果能基本反映結構的整體應力水平和變形趨勢，該分析方法能夠很好地用于天線骨架的設計。試驗中對風載的模擬加載方法，可供天線骨架的風載試驗參考。

天線骨架; 有限元分析; 力學試驗

引 言

天線骨架作為整個雷達天線系統(tǒng)的主承力結構，既要保證在出現于運輸、工作過程中的各種外負載作用下不被破壞，又要滿足天線電訊性能的精度指標和功能要求[1]，所以它必須具備足夠的剛強度。而另一方面，由于成本控制及減重的要求，其材料又要用得最省[2]。強度設計目標就是在這2個相矛盾的要求之間找到一個平衡點，在實現輕量化的同時，也使剛強度符合設計指標。要達到這種高要求的設計目標，在雷達設計過程中對天線骨架進行一系列的仿真分析和測試就顯得必不可少[3]。

對地面雷達來說，風載荷是一種主要的動態(tài)載荷，也是天線骨架需要承受的主要外負載。本文首先采用有限元法，對某天線骨架在自重和風載荷組合作用下的力學性能進行了仿真分析，然后考慮風載荷的作用對該天線骨架進行了實際試驗，并對仿真設計計算進行了驗證分析。如何對風載荷進行模擬以及試驗模型與理論模型的對比分析是本文的主要研究內容。

1 有限元分析

1.1 結構描述

天線骨架是雷達接收、發(fā)射、天饋分系統(tǒng)的基礎部件，在實現接收、發(fā)射、天饋分系統(tǒng)基本功能的前提下，用Pro/E初步構建天線骨架的三維模型，采用橫梁、縱梁截面形狀為“槽形”的焊接結構方案[3]，如圖1所示。為減輕天線骨架的重量，提高天線骨架的荷重比，采用由3mm薄鋼板折彎成型的“槽形”截面，并在腹板上打減重孔。為保證天線骨架滿足剛強度設計要求，選擇Q345鋼作為結構主體材料，其材料參數見表1。

圖1 天線骨架框圖表1 Q345鋼材料參數

彈性模量/MPa泊松比屈服強度/MPa密度/(t·mm-3)2．1×1050．33457．85×10-9

1.2 載荷計算

在工作狀態(tài)下，天線陣面由0°舉升至90°。對天線的幾種工況進行綜合分析發(fā)現，當天線陣面與水平面夾角為90°時，骨架所受到的風載最大，所以仿真分析時應重點考慮此種載荷情況。設計要求在25 m/s平穩(wěn)風速作用下，結構無塑性變形，陣面法向變形不超過5 mm。仿真分析時通過施加均勻分布載荷來模擬風對天線骨架的影響。風載荷的計算公式為

式中：CF為風阻系數，與結構形狀和雷諾數有關，這里取1.4；A是天線的特征面積；ρ為空氣密度，在標準大氣壓下，溫度為15 ℃時，取值0.125 kg·s2/m4；v是設計風速，為平穩(wěn)風速考慮陣風因子以及高度修正之后的風速。經計算，25 m/s平穩(wěn)風速對應的等效靜載荷約為15 000 N。

1.3 仿真分析

模型前處理在不影響結構強度的情況下對模型進行了一定程度的簡化，從而更有利于網格的劃分。在天線骨架與轉臺、舉升絲桿與天線骨架、舉升絲桿與轉臺的連接處分別設置轉動連接，轉軸采用剛性單元模擬，釋放轉軸處的轉動自由度，約束其余自由度。天線骨架主要為薄壁鋼板，采用殼單元模擬。建立的有限元模型和施加的風載荷如圖2所示，天線陣面與水平面夾角為90°。由于實際使用中會有天線罩，風載荷作用在天線罩上將向天線骨架四周的邊框架上傳遞，因此在仿真中把風載荷直接均勻布置在邊框架上。

圖2 有限元模型

在自重和25 m/s風載組合作用下，天線骨架的應力云圖和法向變形云圖如圖3所示。最大應力為38.42 MPa，由于Q345鋼的屈服強度為345 MPa，安全系數取值1.5，所以骨架的最大應力小于材料的許用應力，滿足強度設計要求。天線骨架法向最大變形為1.39 mm，出現在骨架兩側，滿足變形要求。

圖3 天線骨架的應力和法向變形云圖

2 試驗及測試

2.1 試驗方案論證

在實際試驗中，天線陣面調整為與水平面夾角成0°，風載荷采用沙袋模擬施加到天線骨架上。下面將采用仿真手段對該試驗方案的可行性進行論證，與天線陣面成90°受到風載荷作用時的應力和變形結果進行對比。上文計算得到的等效靜風載為15 000 N，轉化為沙袋重量1 500 kg，試驗模型中沙袋重量以質量點均勻布置在天線骨架的邊框架上，如圖4所示。

圖4 試驗模型

試驗模型的仿真分析結果如圖5所示，分別為應力云圖和法向變形云圖。試驗模型最大應力值為39.51 MPa，實際模型仿真得到的最大應力值為38.42 MPa，最大應力值出現的位置和大小均比較吻合；試驗模型的最大法向變形為1.41 mm，實際模型最大法向變形為1.39 mm，二者的最大法向變形值以及變形分布均比較一致，因此采用此試驗方案是合理的。

圖5 天線骨架的應力和法向變形云圖

2.2 測試儀器說明

試驗中測試設備采用的是靜態(tài)應變測試系統(tǒng)，其采集系統(tǒng)原理圖如圖6所示。它由數據采集箱、計算機及支持軟件組成，可同時采集60個通道的數據，采樣速度為 60點/s，測量應變(ε)范圍為±19 999 × 10-6，最高分辨率為1 × 10-6。傳感器采用的是三向直角應變花，在與被測材料相同的鋼板上布置了補償應變花以補償溫度變化造成的測量誤差。位移測試設備采用的是準直望遠鏡和標尺，通過計算加載后與加載前被測點的高程差得到被測點的位移值，最高分辨率為0.1 mm。

圖6 采集系統(tǒng)原理圖

2.3 測試結果與分析

根據力學分析結果和試驗件上傳感器的實際可布置情況，在天線骨架上共選取布置了6個應力應變測試點，均粘貼三向應變花。由于陣面骨架左右基本對稱，因此選取的測試點均分布在試驗件的一側。位移測試點共選擇布置了10個，同樣基本分布在試驗件的一側。測試點的理論計算值和實測值分別見表2和表3。

表2 應力測試值與理論值

表3 位移測試值與理論值

從表2可看出：應力的理論值與測試值在變化規(guī)律和量值上是基本一致的，并且從各測試點應力值可以看出，結構的整體應力水平很低，均低于材料的許用應力，測試部位安全，表明結構的強度符合要求。在計算中發(fā)現個別點處應力值較大，這是由于該點位于縱橫2塊鋼板的焊接處，此處存在一定的應力集中，較難粘貼應變片，不可能完全貼到理論上的最大點，只能在該區(qū)域附近，并且采用應變片所得出的應力值為一定范圍內的均值，所以應力實測值比仿真計算時低。由表3可知，從最大位移點出現的位置以及整體的變形趨勢來看，理論值與測試值是基本吻合的，并且所測得的最大位移均小于準許的位移值，表明結構的剛度符合要求。

3 結束語

本文通過試驗，對天線骨架的剛強度進行了驗證，骨架所有測試點的應力值均未超過許用應力，變形值均在許可范圍內，骨架的設計滿足使用要求。對理論值與測試值進行比較發(fā)現，在骨架的關鍵位置這2種結果是基本吻合的，理論分析結果能基本反映結構的整體應力水平和變形趨勢，表明該種有限元建模方式和分析方法能夠很好地用于天線骨架的設計。本文提供了一種在試驗中模擬風載的方法，并對該方法進行了論證，可為天線骨架的風載試驗提供參考。

[1] 操衛(wèi)忠, 陶曉瑛. 某車載雷達天線骨架結構的有限元分析[J]. 電子機械工程, 2014, 30(3): 57-60.

[2] 趙靜. 某骨架式方艙的計算與測試分析[J]. 電子機械工程, 2008, 24(4): 14-17.

[3] 楊聽廣, 王梅. 一種低空三坐標雷達天線骨架結構設計[J]. 電子機械工程, 2010, 26(2): 39-42.

黃 瀟(1987-)，女，工程師，主要從事雷達仿真分析與優(yōu)化設計工作。

Simulation and Test Analysis of a Radar Antenna Framework

HUANG Xiao，TAN Gui-hong

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The antenna framework is a basic component and the main bearing structure of the whole antenna system. The wind force is the main external load of the antenna framework. In this paper simulation analysis for the rigidity and firmness of the antenna framework under gravity load and wind force is carried out by finite element method. Then the actual mechanical test is made considering the effect of the wind force and the calculated result is verified. The results show that the finite element analysis results can reflect the stress level and deformation trend of the structure and this analysis method can be used in the design of the antenna framework. This simulation method of wind load in the test can provide useful reference for the wind load test of the antenna framework.

antenna framework; finite element analysis; mechanical test

2015-08-24

TN957.8

A

1008-5300(2015)06-0047-03