嚴(yán) 洲，益志英，徐 望，翁 俊

(北京無線電測量研究所， 北京 100854)

某大型雷達(dá)抗風(fēng)與抗震力學(xué)分析*

嚴(yán) 洲，益志英，徐 望，翁 俊

(北京無線電測量研究所， 北京 100854)

文中針對某大型雷達(dá)進(jìn)行了抗風(fēng)與抗震力學(xué)分析。在抗風(fēng)分析中，首先通過計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算了不同工況下的風(fēng)載荷，作為后續(xù)分析的輸入；然后通過有限元法，依據(jù)規(guī)范對天線座架進(jìn)行了剛強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性校核；最后對各個(gè)螺栓進(jìn)行了強(qiáng)度校核。在抗震分析中，通過有限元法對天線座架進(jìn)行了九度多遇地震下的反應(yīng)譜分析。在分析的基礎(chǔ)上，對天線座架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，天線結(jié)構(gòu)具有足夠的抗風(fēng)與抗震穩(wěn)定性和安全性。

大型雷達(dá)；抗風(fēng)與抗震力學(xué)分析；計(jì)算流體力學(xué)；有限元

引 言

大型雷達(dá)具有作用距離遠(yuǎn)、分辨率高和多目標(biāo)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)。隨著各功能模塊批量生產(chǎn)能力的提高及成本的降低，大型雷達(dá)在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

大型雷達(dá)天線口徑大，迎風(fēng)面積大，架設(shè)高度相對較高，其自重和風(fēng)載荷通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制載荷，對大型雷達(dá)的抗風(fēng)力學(xué)分析是環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)中極為重要的一個(gè)部分[2]。針對大型雷達(dá)，需要在規(guī)定工況下分析其剛度與強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。此外，大型雷達(dá)不同于小型雷達(dá)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性往往更為重要，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。文獻(xiàn)[3]通過ANSYS分析了某大型雷達(dá)的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，為天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化與減重方案提供了較好的參考依據(jù)。對于大型雷達(dá)，除了需要進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)外，還需要考慮地震對它的影響。文獻(xiàn)[4]通過有限元法分析了某天氣雷達(dá)站塔樓在地震作用下的響應(yīng)反應(yīng)譜。

文中的某大型固定站雷達(dá)主要由天線座架、主陣面天線及各種設(shè)備組成，總重量約400 t。其天線座架材料選用Q345，為空間桁架鋼結(jié)構(gòu)，由矩形截面的箱形梁螺接拼裝而成，直接安裝在陣地預(yù)構(gòu)的水泥基座上，總重量約300 t?？癸L(fēng)與抗震力學(xué)分析主要針對該天線座架進(jìn)行。

1 指標(biāo)及工況

1.1 指標(biāo)

1)在風(fēng)速為28.4m/s(10級風(fēng))工況下，天線陣面的最大位移≤35 mm，正常工作；

2)在風(fēng)速為70.0 m/s(國內(nèi)已知最大風(fēng)速)工況下，天線不損壞。

1.2 工況

1)無風(fēng)，只有自重載荷；

2)風(fēng)速為28.4 m/s(10級風(fēng))；

3)風(fēng)速為70.0 m/s(國內(nèi)已知最大風(fēng)速)；

4)積冰時(shí)，無風(fēng)，僅有冰載荷；

5)積冰時(shí)，風(fēng)速為28.4 m/s(10級風(fēng))；

6)九度多遇地震。

2 評判標(biāo)準(zhǔn)及分析內(nèi)容

2.1 評判標(biāo)準(zhǔn)

天線座架主體結(jié)構(gòu)材料選用Q345，其屈服極限為345 MPa，取安全系數(shù)1.6，則許用應(yīng)力為215 MPa。

風(fēng)載荷根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]選取，地震載荷根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]選取。天線座架在抗風(fēng)分析中剛強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在抗震分析中強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；天線座架滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求；螺栓強(qiáng)度滿足要求。

2.2 抗風(fēng)分析

1)通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)計(jì)算風(fēng)載荷，作為后續(xù)分析的輸入；

2)通過有限元(FEA)對天線座架進(jìn)行各種工況下的剛強(qiáng)校核；

3)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]對構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性校核；

4)對地腳螺栓和梁連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.3 抗震分析

1)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]得到地震反應(yīng)譜曲線，作為抗震分析輸入；

2)通過有限元(FEA)對天線座架進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析。

3 抗風(fēng)分析

3.1 風(fēng)載荷分析

由于天線座架尺寸較大，需要考慮風(fēng)壓隨高度的變化，因此先按基本風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算，然后再對計(jì)算結(jié)果按風(fēng)壓隨高度的變化進(jìn)行修正，最后考慮風(fēng)振的影響。

3.1.1 仿真分析

天線座架所受風(fēng)載荷由作用在天線座架主體骨架、子陣框架等上的風(fēng)載荷和作用在反射網(wǎng)上的風(fēng)載荷2部分組成。計(jì)算得到天線座架前部(即天線陣面)和背部(即背部支架)的阻力和升力。

僅考慮主體骨架、子陣框架等結(jié)構(gòu)，建立等效模型(如圖1所示)，等效模型的迎風(fēng)面積與實(shí)際一致；考慮積冰(冰層厚13 mm，冰體積約為42 m3)時(shí)，根據(jù)《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第22部分：積冰/凍雨試驗(yàn)》[8]，選擇適用于陸地的中等負(fù)荷，按最惡劣情況(即天線陣面全部被冰層覆蓋)考慮，等效模型如圖2所示。對于整個(gè)天線座架，分別模擬迎風(fēng)與背風(fēng)2種情形。

圖1 不積冰時(shí)，天線座架等效模型圖

圖2 積冰時(shí)，天線座架等效模型圖

由于對稱性，只計(jì)算反射網(wǎng)其中一部分的風(fēng)載荷，然后將該計(jì)算結(jié)果擴(kuò)展到整個(gè)陣面。

計(jì)算時(shí)，選用邊界處精度較高的RNG湍流模型。在28.4 m/s迎風(fēng)狀態(tài)下，天線座架和反射網(wǎng)的截面風(fēng)速分布如圖3和圖4所示。計(jì)算得到天線座架在不同風(fēng)速下所受的風(fēng)載荷，見表1。

圖3 28.4 m/s迎風(fēng)狀態(tài)下天線座架風(fēng)速分布

圖4 28.4 m/s迎風(fēng)狀態(tài)下反射網(wǎng)風(fēng)速分布

表1 不同風(fēng)速條件下天線座架風(fēng)載荷

3.1.2 風(fēng)壓修正

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]，選擇海邊環(huán)境(A級地面粗糙度等級)對風(fēng)壓進(jìn)行隨高度變化的修正，同時(shí)考慮風(fēng)振的影響，風(fēng)振系數(shù)為1.5。

3.2 天線座架剛強(qiáng)度分析

3.2.1 有限元模型

有限元模型只建立了主支撐結(jié)構(gòu)，其它輔助結(jié)構(gòu)和設(shè)備通過載荷的方式加載在主結(jié)構(gòu)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。通過一系列的梁單元對天線座架進(jìn)行模擬，選用Beam188單元，ANSYS中的模型如圖5所示。

圖5 天線座架有限元模型

3.2.2 邊界及加載

天線座架加載示意圖如圖6所示，其邊界條件及所受載荷主要由以下幾部分組成：

1)天線座架直接固定在陣地預(yù)制的水泥基座上，將天線座架與水泥基座相連接的點(diǎn)作固定約束；

2)天線座架自重載荷；

3)輔助結(jié)構(gòu)和設(shè)備通過重力方向作用力的方式加載在主結(jié)構(gòu)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上；

4)積冰產(chǎn)生的附加重量，以重力方向作用力的方式平均加載在陣面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上；

5)風(fēng)載荷等效加載在陣面及后支架的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，分別考慮迎風(fēng)與背風(fēng)2種情形。

圖6 天線座架加載示意圖

3.2.3 整體有限元分析

圖7為天線座架在28.4 m/s風(fēng)速(迎風(fēng))和積冰工況下的位移分布，圖8為天線座架在70.0 m/s風(fēng)速下(背風(fēng))的應(yīng)力分布，表2為天線座架在各工況下的最大位移及應(yīng)力。位移及應(yīng)力均能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 在28.4 m/s風(fēng)速(迎風(fēng))和積冰工況下的位移分布

圖8 在70.0 m/s風(fēng)速下(背風(fēng))的應(yīng)力分布

表2 天線座架在各工況下的最大位移及應(yīng)力

3.2.4 關(guān)鍵部位局部有限元分析

由于梁系整體有限元模型在底座(邊界)或多梁交點(diǎn)(交匯)處得到的結(jié)果不會(huì)太準(zhǔn)確，因此需要對底座和多梁交匯處做局部有限元分析。70 m/s迎風(fēng)工況為最惡劣的工況，通過之前的整體有限元模型計(jì)算得到梁端面的載荷大小，作為加載輸入，進(jìn)行局部有限元分析。圖9為天線座架底座應(yīng)力分布圖。從對最惡劣工況的分析得知，可通過增加合適的肋條，使各個(gè)關(guān)鍵部位滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 天線座架底座應(yīng)力分布圖

3.3 天線座架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.3.1 天線座架整體穩(wěn)定性

在風(fēng)速為70 m/s的迎風(fēng)、背風(fēng)條件下，進(jìn)行線性屈曲分析，如圖10和圖11所示。天線座架的整體穩(wěn)定性系數(shù)為4.9，是穩(wěn)定的。

圖10 70.0 m/s迎風(fēng)條件下的屈曲模態(tài)

圖11 70.0 m/s背風(fēng)條件下的屈曲模態(tài)

3.3.2 構(gòu)件整體穩(wěn)定性

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]對每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行整體穩(wěn)定性校核。經(jīng)計(jì)算，在最惡劣的工況下，構(gòu)件的最大等效應(yīng)力為110 MPa，因此是符合構(gòu)件整體穩(wěn)定性要求的。

3.3.3 構(gòu)件局部穩(wěn)定性

該天線座架最大主梁截面為800 mm × 600 mm(高 × 寬)，壁板厚20 mm，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，箱形梁的高厚比應(yīng)滿足不等式：

(1)

式中：b0為截面高；t為厚度。

此外，對于寬高比大于80的梁應(yīng)加橫向肋，該天線座架梁截面寬高比均小于80，可不加橫向肋。

3.4 螺栓強(qiáng)度分析

3.4.1 地腳螺栓分析

天線座架底部通過預(yù)埋地腳螺栓固定在水泥基座上，水泥基座的每個(gè)水泥柱上布置有30個(gè)M48(小徑為42.587mm)地腳螺栓。地腳螺栓的強(qiáng)度等級為8.8級，屈服強(qiáng)度為640 MPa，取1.6倍安全系數(shù)，許用應(yīng)力為400 MPa。通過分析，地腳螺栓所需預(yù)緊力為228 kN，最大應(yīng)力為276 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.2 天線座架結(jié)構(gòu)梁連接螺栓分析

天線座架結(jié)構(gòu)梁之間以及結(jié)構(gòu)梁與梁接頭之間都采用高強(qiáng)度螺栓連接，分別對每個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行螺栓強(qiáng)度校核。經(jīng)分析，70.0 m/s背風(fēng)為最惡劣工況。取拉力最大點(diǎn)(后部支架主梁，拉力F= 2 150 kN)進(jìn)行分析。該連接處采用24個(gè)M36螺栓(小徑為31.670 mm)連接，螺栓強(qiáng)度等級為10.9級，屈服強(qiáng)度為900 MPa，取1.6倍安全系數(shù)，許用應(yīng)力為563 MPa。通過分析，螺栓所需預(yù)緊力為232 kN，最大應(yīng)力為530 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 抗風(fēng)分析小結(jié)

通過上述分析，在各個(gè)工況下，天線座架的剛強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及螺栓強(qiáng)度均滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

4 抗震分析

4.1 有限元模型

將輔助結(jié)構(gòu)和設(shè)備以集中質(zhì)量的形式加在陣面各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，選用Mass21單元，如圖12所示。

圖12 抗震分析有限元模型

4.2 地震反應(yīng)譜

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定，地震影響系數(shù)隨周期變化的反映譜曲線如圖13所示。

圖13 地震影響系數(shù)曲線

取九度多遇地震，此時(shí)地震影響系數(shù)最大值為0.32g，特征周期取0.4 s，阻尼比取0.02，則此時(shí)阻尼調(diào)整系數(shù)為1.27，衰減指數(shù)為0.97，下降斜率調(diào)整系數(shù)為0.026。

考慮豎向地震為水平向地震的0.65倍，通過有限元法分別計(jì)算地震震源在天線座架正面以及側(cè)面2種工況下的反應(yīng)譜，模態(tài)組合方法選擇CQC法。

4.3 地震響應(yīng)分析

天線座架第1階模態(tài)如圖14所示，固有頻率為1.8 Hz；九度地震下，震源在天線座架側(cè)面時(shí)的天線座架應(yīng)力分布如圖15所示，最大應(yīng)力為46.2 MPa，是安全的。

圖14 天線座架第1階模態(tài)

圖15 震源(九度地震)在側(cè)面的應(yīng)力分布

4.4 抗震分析小結(jié)

通過上述分析，天線座架在九度多遇地震下的最大應(yīng)力為46 MPa，滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文通過力學(xué)分析計(jì)算對某大型雷達(dá)的抗風(fēng)與抗震能力進(jìn)行了校核，對天線座架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，天線結(jié)構(gòu)具有足夠的抗風(fēng)與抗震穩(wěn)定性和安全性。

[1] 楊成惠. 國外大型相控陣?yán)走_(dá)防護(hù)問題探討[C]//信息產(chǎn)業(yè)部雷達(dá)專業(yè)情報(bào)網(wǎng)第十五屆年會(huì)論文集. 西寧: 信息產(chǎn)業(yè)部雷達(dá)專業(yè)情報(bào)網(wǎng), 2003: 285-289.

[2] 張?jiān)鎏? 風(fēng)載荷在雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的考慮[J]. 現(xiàn)代電子, 1997(4): 58-61.

[3] 吳樂平. 基于ANSYS的某雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)有限元分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2010, 26(4): 50-56.

[4] 陳孝珍, 張學(xué)軍. 某天氣雷達(dá)站塔樓結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析[J]. 陜西工學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 20(1): 51-54.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[7] 中華人民共和國建設(shè)部. GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社, 2003.

[8] 中國人民解放軍總裝備部. GJB 150.22A—2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第22部分: 積冰/凍雨試驗(yàn)[S]. 北京: 總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2009.

嚴(yán) 洲(1984-)，男，博士，高級工程師，主要從事雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析工作。

Wind-resistance and Aseismatic Mechanics Analysis of a Large Radar

YAN Zhou，YI Zhi-ying，XU Wang，WENG Jun

(BeijingInstituteofRadioMeasurement,Beijing100854,China)

The wind-resistance and aseismatic mechanics performance of a large radar is analyzed in this paper. In the wind-resistance analysis, the wind loads under different work conditions, as input conditions, are calculated by CFD firstly; then the stiffness and strength of the antenna pedestal are checked by FEA and its structure stability is also checked according to the specifications; at last, the bolt strength is checked. In the aseismatic analysis, the response spectrum of the antenna pedestal under 9 degree frequent earthquake is analyzed by FEA. The structure optimization for the antenna pedestal is carried out based on the wind-resistance and aseismatic mechanics analysis. The results show that the stability and safety of the antenna pedestal meet the design requirements.

large radar; wind-resistance and aseismatic mechanics analysis; CFD; FEA

2016-08-05

TP391.77

A

1008-5300(2016)06-0060-05