楊 靜，王志海

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

某車載雷達(dá)天線骨架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 靜，王志海

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

天線骨架是車載雷達(dá)天線系統(tǒng)的主承力結(jié)構(gòu)，除剛強(qiáng)度需滿足設(shè)計(jì)要求外，其重量也應(yīng)滿足車載雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性要求。文中利用有限元軟件，對(duì)工作條件下某車載雷達(dá)的天線骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析以及自重、風(fēng)載和溫度載荷等靜力分析，并根據(jù)天線骨架構(gòu)型的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果、應(yīng)力和變形的計(jì)算結(jié)果、骨架結(jié)構(gòu)形式以及力的傳遞方式對(duì)天線骨架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的骨架在重量減小的同時(shí)，剛強(qiáng)度也得到了一定程度的提高。該研究結(jié)果可為大陣面高負(fù)載天線骨架的輕量化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

天線骨架;有限元;剛強(qiáng)度;拓?fù)鋬?yōu)化;優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

車載雷達(dá)天線系統(tǒng)是車載雷達(dá)工作的核心部件，負(fù)責(zé)雷達(dá)信號(hào)的發(fā)送和接收[1]。在自然環(huán)境下，影響車載雷達(dá)天線穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性的因素主要有風(fēng)載、慣性、自重和溫度載荷等[2]。天線骨架是天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的一個(gè)重要承載部件,為保證車載雷達(dá)系統(tǒng)滿足使用精度、安全性和機(jī)動(dòng)性要求，天線骨架應(yīng)在結(jié)構(gòu)性能和重量之間達(dá)到平衡[3]。

有限元仿真作為一種輔助工程設(shè)計(jì)的有效手段,不僅可對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題, 縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，也可與優(yōu)化方法結(jié)合，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，因而在航空航天雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。

某車載雷達(dá)天線陣面主要由天線骨架、互聯(lián)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和陣面基本模塊組成，陣面工作狀態(tài)覆蓋范圍為20°～70°，天線骨架由方管焊接而成。本文利用有限元軟件，對(duì)某車載雷達(dá)天線骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛強(qiáng)度分析，并結(jié)合載荷傳遞路徑和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)天線骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 有限元模型

前處理采用Hypermesh軟件，計(jì)算和后處理軟件采用ABAQUS。選取天線陣面70°構(gòu)型進(jìn)行分析，建立的有限元模型如圖1所示。天線骨架和分塊互連軸承采用梁?jiǎn)卧M，分塊互連加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，天線單元和其它負(fù)載采用質(zhì)量單元形式施加，油缸支撐點(diǎn)區(qū)域?yàn)槿s束。天線骨架材料為高強(qiáng)鋼Q345E，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 有限元模型

表1 材料參數(shù)

2 仿真分析結(jié)果

2.1 模態(tài)分析

對(duì)天線骨架進(jìn)行模態(tài)分析，得到前5階固有頻率和振型, 如圖2所示。從圖2可以看出，前5階的振型主要為扭動(dòng)和擺動(dòng)。

圖2 天線骨架前5階模態(tài)分析結(jié)果

2.2 靜力分析

該雷達(dá)天線系統(tǒng)涉及的載荷主要有自重、風(fēng)載和溫度載荷。自重載荷包括骨架自重、設(shè)備和陣面模塊等重量；風(fēng)載荷包括正面吹風(fēng)和背面吹風(fēng)2種情況，按極限狀態(tài)風(fēng)速33 m/s進(jìn)行計(jì)算；溫度載荷為環(huán)境溫度與設(shè)計(jì)安裝溫度之差，按照極限情況考慮，采用溫差60 ℃進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)自重、風(fēng)載和溫度載荷共同作用下的天線骨架進(jìn)行剛強(qiáng)度分析，圖3和圖4分別給出了自重+正面吹風(fēng)+溫度載荷、自重+背面吹風(fēng)+溫度載荷2種情況下天線骨架的應(yīng)力和變形。從圖3和圖4可以看出：正面吹風(fēng)、背面吹風(fēng)時(shí), 天線骨架的應(yīng)力和變形分布趨勢(shì)類似，天線骨架邊部變形較大，支撐桿作用位置附近區(qū)域應(yīng)力較大；正面吹風(fēng)時(shí)天線骨架的最大應(yīng)力為342MPa，背面吹風(fēng)時(shí)天線骨架的最大應(yīng)力為297 MPa，Q345E鋼的屈服極限為345 MPa，安全系數(shù)取1.5時(shí)，天線骨架強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 自重+正面吹風(fēng)+溫度載荷作用下天線骨架的變形和應(yīng)力分布情況

圖4 自重+背面吹風(fēng)+溫度載荷作用下天線骨架的變形和應(yīng)力分布情況

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)

本文對(duì)天線骨架優(yōu)化的依據(jù)源于2點(diǎn)考慮：一是根據(jù)支撐桿的作用位置，進(jìn)行傳遞路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)，初步的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖5所示；二是天線骨架的應(yīng)力分布及骨架的結(jié)構(gòu)形式，從圖3和圖4可以看出，支撐桿作用位置附近區(qū)域應(yīng)力較大，結(jié)合天線骨架的結(jié)構(gòu)形式及力的傳遞方式，在平板框架中形成主骨架，作為支撐骨架。

圖5 初步拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

基于以上考慮，將初始的全部方管改成主骨架方管截面加大、次要截面減小的方式，通過(guò)主輔骨架的結(jié)構(gòu)形式來(lái)提高骨架整體的剛強(qiáng)度，優(yōu)化后的骨架形狀如圖6所示，類似于樹狀結(jié)構(gòu)。

圖6 優(yōu)化后的骨架形狀

3.2 優(yōu)化后的結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的天線骨架分別進(jìn)行模態(tài)、自重+風(fēng)載+溫度載荷分析。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的天線骨架的基頻有所提高，并且在自重+風(fēng)載+溫度載荷作用下天線骨架的應(yīng)力和變形均有所減小，如圖7和圖8所示，優(yōu)化后的天線骨架最大應(yīng)力和最大變形分別為229 MPa和40 mm，強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 自重+正面吹風(fēng)+溫度載何作用下優(yōu)化后天線骨架的變形和應(yīng)力分布情況

圖8 自重+背面吹風(fēng)+溫度載何作用下優(yōu)化后天線骨架的變形和應(yīng)力分布情況

表2給出了天線骨架優(yōu)化前后的應(yīng)力、變形和重量的比較結(jié)果，從表2可以看出，天線骨架結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后，剛強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，并且重量略有降低。

表2 天線骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的強(qiáng)度、剛度和重量變化

4 結(jié)束語(yǔ)

借助于有限元仿真，可對(duì)工作狀態(tài)下的天線骨架剛強(qiáng)度進(jìn)行分析，其結(jié)果可以用于指導(dǎo)天線骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縮短設(shè)計(jì)周期。本文根據(jù)天線構(gòu)型的初步拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果、天線骨架的應(yīng)力分布和力的傳遞途徑以及天線骨架的結(jié)構(gòu)形式，提出了采用主輔骨架的形式對(duì)初始骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果證明，優(yōu)化后的骨架結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度優(yōu)于初始骨架，并且重量有所減輕。該研究結(jié)果可為大陣面高負(fù)載天線骨架的輕量化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

[1] 吳佳. 某車載雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)分析[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2010, 30(4): 59-62.

[2] 伍勇軍, 肖佩, 楊紅軍，等. 基于ABAQUS的車載雷達(dá)天線模態(tài)分析[J]. 機(jī)械, 2007, 34(11): 26-27.

[3] 賀李平. 機(jī)載SAR天線座連接支架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2014, 30(1): 52-53.

[4] 王恒海，邵奎武. 星載雷達(dá)發(fā)射機(jī)支撐架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2011, 27(1): 39-43.

楊 靜(1982-)，女，博士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真研究工作。

Optimization Design for the Antenna Frame Structure of a Vehicle-borne Radar

YANG Jing，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The antenna frame is the primary structure of the vehicle-borne radar antenna system. Its stiffness and strength should meet the design requirement. Its weight should also satisfy the mobility requirement of the vehicle-borne radar. The modal analysis and static analysis (such as gravity, wind force and temperature) are performed for the antenna frame of a vehicle-borne radar under work conditions by finite element software in this paper. The antenna frame is optimized according to the topological optimization results, stress and deformation analysis results, the antenna frame structure and the force transfer mode. The simulation results show that the optimized antenna frame has better stiffness and strength while becoming lighter. This study result can provide technical support for light-weight design of the large-area and high-load antenna frame.

antenna frame; finite element; stiffness and strength; topological optimization; optimization design

2014-09-03

TN82

A

1008-5300(2015)02-0052-03