宋駿琛,吳 佳,李維忠,莊文許

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

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某天線骨架的減重優(yōu)化設計及動力學數值模擬

宋駿琛,吳 佳,李維忠,莊文許

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

針對某天線骨架減重優(yōu)化的設計要求,進行了極端環(huán)境下的結構減重優(yōu)化設計及數值模擬分析。在workbench軟件中建立骨架的三維有限元模型。在模態(tài)分析的基礎上,依據軍用設備環(huán)境試驗的標準,用時域瞬態(tài)分析法對其進行了3方向的沖擊分析,算例數值模擬結果顯示可以對相關結構件進行減重優(yōu)化。優(yōu)化后的骨架質量減輕了25%,對減重后的骨架再次進行數值模擬分析,結果表明應力變形響應均在材料的屈服強度和抗拉強度范圍之內,滿足抗沖擊環(huán)境要求。

雷達;天線骨架;workbench;減重優(yōu)化;動力學

0 引 言

作為雷達天線系統(tǒng)的關鍵結構部件,骨架起到了至關重要的作用。非接觸水下爆炸是艦船主要的沖擊環(huán)境來源,艦船上的天線骨架遭受沖擊可導致無法正常運轉,甚至整個雷達失去戰(zhàn)斗力。隨著水中兵器的發(fā)展,爆炸沖擊持續(xù)時間會明顯地增加,艦艇及其天線系統(tǒng)設備遭受的威脅越來越嚴重。所以,增強艦船雷達天線系統(tǒng)設備的抗沖擊性能已成為新型艦船的迫切需要[1]。

受整機質量的限制,天線系統(tǒng)的骨架質量會受到一定的約束,有必要對骨架進行輕量化設計。然而,質量的降低會導致整個結構剛強度性能的下降。所以,選擇合適的減重方式對整個骨架剛強度性能的保證極其重要。

1 振動數學模型

在NX軟件中對骨架進行三維建模。圖1為骨架三維模型。忽略螺紋孔、倒角、密封槽等對算例結果影響微小的細節(jié)特征,對底面法蘭盤及斜面等各零件模型進行裝配,接觸面之間采用綁定約束。采用實體網格四面體單元(mesh200)進行劃分。材料的密度ρ=2770 kg/m3,泊松比μ=0.33,楊氏模量E=71000 MPa。

圖1 初步設計的骨架三維模型

2 數值算例分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設計結構的振動特性,即結構的固有頻率及振型。它們是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數,同時也是瞬態(tài)響應分析、諧響應分析等動力學分析的基礎[2]。對骨架結構進行模態(tài)分析也是進行瞬態(tài)動力學分析等所必需的前期分析過程。根據彈性力學理論[3],動力學微分方程為

(1)

式中,M、C、K分別為質量、阻尼、剛度矩陣;X(t)、F(t)分別為位移向量和外加載荷,即激振力向量。一般的模態(tài)分析為不受任何附加載荷的無阻尼自由振動分析,故這里C、F(t)都為零。得出來的方程為

(2)

這里設方程的解為簡諧振動,再根據對應的特征方程和考慮到自由振動時振幅不全為零的情況,得出下式:

(3)

方程的解wi為轉子系統(tǒng)固有頻率。利用模態(tài)分析模塊進行迭代求解,求得骨架模態(tài)云圖。根據工作頻率在100 Hz以內的設計要求,對底面螺紋孔處進行約束,取前四階模態(tài)進行分析。

骨架的第一階模態(tài)為40.91 Hz,第二階模態(tài)為41.50 Hz,第三階模態(tài)為46.96 Hz,第四階模態(tài)為56.43 Hz,有效模態(tài)質量為0.31 t。

2.2 沖擊分析

在本算例中,約束載荷為底面螺紋孔。依據文獻[4-5],安裝區(qū)域的沖擊響應譜如下所示:

式(4)中的A0、V0和D0分別是模型對應的沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。加速度可用雙三角時域曲線如圖2表示。計算得到的3方向時域沖擊參數如表1所示。

表1 沖擊響應譜

圖2 等效的雙三角形時域曲線沖擊條件

算例使用時域瞬態(tài)分析法[6],將所對應方向的沖擊譜分別作用于垂向、縱向、橫向3方向上,計算3方向沖擊載荷作用下的應力和變形。

由圖3得到骨架垂向的最大應力為120.98 MPa,出現在中立柱與底部縱梁連接處;橫向沖擊時最大應力為29.5 MPa,出現在中部插箱吊耳處;縱向沖擊時最大應力為79.64 MPa,出現在前部左橫梁與立柱連接處。骨架垂向最大變形為1.04 mm,出現在底部橫梁處;橫向最大變形為1.29 mm,出現在面陣骨架前部縱橫梁交界處;縱向最大變形為1.53 mm,出現在左部插箱吊耳處。

圖3 初步設計的骨架3方向應力云圖

骨架材料為鋁型材,屈服強度σs=145 MPa,抗拉強度σb=245 MPa。沖擊作用下的應力均小于材料強度的90%,但整個天線骨架質量超出設計要求。因此,有必要對骨架結構進行輕量化設計,可采用局部摳孔、降低壁厚等方式。

3 結構減重與數值分析

綜合考慮結構減重設計要求及工藝性,由算例結果發(fā)現骨架的斜板、斜梁及底面法蘭盤應力較小,故對此3處進行優(yōu)化設計,具體如圖4、5、6所示。

圖4 減重前后的局部斜梁及剖視圖

圖5 減重前后的局部底面法蘭盤

圖6 減重前后的局部斜板

為了增加天線單元走線空間同時進行局部減重,將3根斜梁進行局部開槽處理;在底面法蘭上增加了一定深度的呂字形減重槽;在斜板處設計了相應的減重孔、槽等,減重約25%。

采用和原數值分析相同的邊界條件,再次對減重后的骨架進行模態(tài)分析和沖擊響應分析,按照同樣的方式對底面螺紋孔進行約束,采用實體網格四面體單元(mesh200)進行劃分。

表2 減重前后固有頻率的變化

通過減重前后固有頻率的對比,可以看出減重后的前四階固有頻率相對減重前有不同程度的降低,但變化幅度不大,均在10%以內。

圖7 減重設計后的骨架3方向應力云圖

根據減重后模態(tài)分析的結果得出骨架的有效模態(tài)質量約為0.3 t,由圖7得到減重后沖擊載荷作用下骨架垂向的最大應力為127.5 MPa,出現在中立柱與底部縱梁連接處;橫向沖擊時最大應力為31.3 MPa,出現在75°斜面直角處;縱向沖擊時最大應力為86.2 MPa,出現在前部左橫梁與立柱連接處。最大應力仍小于型材屈服強度σs=145 MPa,抗拉強度σb=245 MPa。骨架垂向垂向沖擊時最大變形為1.07 mm,出現在右部上端橫梁處;橫向沖擊時最大應變?yōu)?.34 mm,出現在面陣左上端角處;縱向沖擊時最大應變?yōu)?.54 mm,出現在左部插箱吊耳處。

表3 減重前后最大應力的變化

表4 減重前后最大變形的變化

由表3的對比結果可發(fā)現,減重后的最大應力均有所增大,但變化幅度不大,說明質量減小后的骨架雖剛性變弱,承受沖擊載荷的能力有所降低,但最大應力值小于該骨架材料強度的90%。由表4可知減重前后最大變形變化率微小,說明減重后的骨架結構仍滿足抗沖擊的條件,相對減重前減輕了25%,對整機的輕量化設計提供了有力支撐。

4 結束語

本文首先用NX軟件對整個天線骨架進行三維建模,后導入workbench后處理模塊中,對骨架進行模態(tài)分析,得出前四階固有頻率及振型,得到了骨架的有效模態(tài)質量。采用時域分析法進行了抗沖擊數值模擬分析。根據算例分析的結果,在應力較小的位置進行了減重優(yōu)化。對減重優(yōu)化后的骨架再次進行了數值模擬分析,結果表明雖然減重后的骨架剛強度有所降低,但骨架最大應力仍處于材料強度的安全范圍之內,仍符合設計要求,對骨架結構的減重設計具有一定的實際參考價值。

[1] 汪玉,華宏星.艦船現代沖擊理論及應用[M].北京:科學出版社,2005:8-10.

[2] 聞邦春,顧家柳,夏松波,等.高等轉子動力學:理論、技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[3] 鐘一諤,何衍宗,等.轉子動力學[M].北京:清華大學出版社,1987.

[4] GJB 150.18-86軍用設備環(huán)境試驗方法——沖擊試驗[S].

[5] 姜濤,王偉力,黃雪峰,等.艦艇抗沖擊設計中正負三角波沖擊譜分析與應用[J].海軍航空工程學院學報,2010,25(2):145-148.

[6] 張影.船用齒輪箱抗沖擊計算方法分析[D].哈爾濱工程大學,2010.3.

Lightweight design and dynamics numerical simulation of an antenna framework

SONG Jun-chen, WU Jia, LI Wei-zhong, ZHUANG Wen-xu

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

In view of the lightweight requirement of an antenna framework, the structural lightweight design and the numerical simulation and analysis are performed in the extreme environment. The 3D finite element model of the framework is built in the workbench software. Based on the modal analysis, according to the standards of the environmental test of the military equipment, the shock response of the framework is analyzed in three directions through the time-domain transient analysis method, and the numerical simulation results indicate that the relevant structural parts can be optimized in weight. The quality of the framework optimized is reduced by about 25%, and it is simulated and analyzed again. The results indicate that the stress deformation response is within the range of the yield strength and the tensile strength of the materials, satisfying the anti-shock requirement of the working environment.

radar; antenna framework; workbench; lightweight; dynamics

2016-08-30;

2016-09-20

宋駿琛(1990-),男,助理工程師,碩士,研究方向:結構力學分析;吳佳(1981-),女,高級工程師,碩士,研究方向:結構設計;李維忠(1979-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達結構工藝;莊文許(1985-),男,高級工程師,博士,研究方向:機電系統(tǒng)設計。

TN957.2

A

1009-0401(2016)04-0056-04