弋 輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所， 陜西 西安 710068)

引 言

火控雷達(dá)作為末端防御系統(tǒng)的重要組成部分，需要滿(mǎn)足系統(tǒng)的探測(cè)、跟蹤威力、反應(yīng)速度、跟蹤精度、火控解算精度等方面提出的需求。雷達(dá)的整體架構(gòu)是天線(xiàn)陣面和高頻箱固連，高頻箱與天線(xiàn)座固連，天線(xiàn)座安裝在高速火炮的托架之上，受兩位一體復(fù)合伺服系統(tǒng)控制。雷達(dá)通過(guò)由瓦片式數(shù)字子陣組成的天線(xiàn)陣面進(jìn)行電掃，通過(guò)方位和俯仰傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)掃。

天線(xiàn)陣面由瓦片式子陣組成，陣面背部布置4個(gè)散熱模塊，對(duì)整個(gè)陣面進(jìn)行散熱，天線(xiàn)陣面和高頻箱通過(guò)4個(gè)轉(zhuǎn)接件固連，高頻箱通過(guò)法蘭和俯仰軸連接，實(shí)現(xiàn)相控陣天線(xiàn)和后叉臂形式天線(xiàn)座的結(jié)合。

為了滿(mǎn)足雷達(dá)的重量要求，對(duì)天線(xiàn)座中的俯仰殼體、方位殼體和杯形件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用最小壁厚配加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)天線(xiàn)陣面和高頻箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理布局，保證在滿(mǎn)足雷達(dá)性能要求的基礎(chǔ)上，盡量減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

雷達(dá)需要滿(mǎn)足的振動(dòng)環(huán)境條件主要為炮振條件，雷達(dá)的一分機(jī)(天線(xiàn)及天線(xiàn)座)安裝于火炮綜合體左托架上，天線(xiàn)陣面在火炮振動(dòng)環(huán)境下的位移響應(yīng)會(huì)造成雷達(dá)探測(cè)性能下降和跟蹤精度變差，同時(shí)一分機(jī)對(duì)炮振的應(yīng)力響應(yīng)和加速度響應(yīng)也要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求和模塊的設(shè)計(jì)要求，因此分析研究一分機(jī)對(duì)炮振的響應(yīng)是十分必要的。通過(guò)對(duì)天線(xiàn)和天線(xiàn)座進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將炮振響應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。

雷達(dá)天線(xiàn)座是雷達(dá)重要的結(jié)構(gòu)件，它為天線(xiàn)陣面提供穩(wěn)定的支撐，并在伺服系統(tǒng)的控制下使天線(xiàn)陣面在方位和俯仰方向上按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索和跟蹤，一分機(jī)需要滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)帶寬對(duì)固有頻率的要求[1-2]。

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)一分機(jī)的炮振響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。有限元分析方法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，從物理或幾何角度來(lái)說(shuō)，其基本思想是將彈性連續(xù)體劃分成有限個(gè)小單元體，它們?cè)谟邢迋€(gè)節(jié)點(diǎn)上相互連接，在一定的精度要求下，對(duì)每個(gè)單元用有限個(gè)參數(shù)來(lái)描述它們的力學(xué)特性，而整個(gè)特征體的力學(xué)特性，可認(rèn)為是這些小單元體力學(xué)特性的總和，從而建立連續(xù)體的力學(xué)平衡關(guān)系。

1 天線(xiàn)及天線(xiàn)座有限元模型

1.1 有限元模型的建立

雷達(dá)一分機(jī)主要由天線(xiàn)陣面、高頻箱、俯仰殼體、俯仰軸、俯仰電機(jī)及軸承、方位殼體、方位杯形件、方位電機(jī)及軸承等零部件組成，這些地方的連接對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響較為明顯，在對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)盡量接近實(shí)際的作用狀態(tài)，雷達(dá)三維模型如圖1所示。

圖1 雷達(dá)三維示意圖

一般當(dāng)幾何體存在多個(gè)部件時(shí)，需要確定部件之間的相互關(guān)系，在A(yíng)NSYS中是通過(guò)接觸與點(diǎn)焊來(lái)定義的。在結(jié)構(gòu)分析中，接觸和點(diǎn)焊可以防止部件的相互滲透，同時(shí)也提供了部件之間載荷傳遞的方法。雷達(dá)一分機(jī)模型的多個(gè)部件之間都是通過(guò)接觸相互作用的，接觸使用的是二維幾何體，接觸單元提供部件間的連接關(guān)系，每個(gè)部件維持獨(dú)立的網(wǎng)格，根據(jù)部件結(jié)構(gòu)特性劃分不同類(lèi)型的網(wǎng)格。

俯仰殼體和方位杯形件等通過(guò)螺栓聯(lián)接簡(jiǎn)化為接觸面綁定接觸連接，俯仰殼體通過(guò)兩組成對(duì)使用的角接觸軸承支承兩俯仰軸，簡(jiǎn)化為摩擦接觸。通過(guò)對(duì)主要零部件如實(shí)的建模和對(duì)各部件之間接觸的設(shè)置，建立了詳實(shí)的有限元模型[3-4]。

1.2 有限元模型參數(shù)的設(shè)置和網(wǎng)格的劃分

ANSYS材料庫(kù)中保存了大量的常用材料數(shù)據(jù)，在選中的材料性能中可以看到默認(rèn)的材料屬性值，該屬性值可以進(jìn)行修改，以符合選用的材料特性。

在保證模型質(zhì)量分布和實(shí)際相符合的情況下，為了簡(jiǎn)化模型，選取了2種主要材料。方位殼體、俯仰殼體、杯形件、下方位殼體、天線(xiàn)陣面和高頻箱為線(xiàn)性鋁材料；主/副半軸、軸承座、耳軸、鎖緊螺母、止擋環(huán)和電機(jī)為線(xiàn)性鋼材料。零部件的2種材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 零部件材料參數(shù)

按照實(shí)體結(jié)構(gòu)及其相互的連接關(guān)系將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的彈性連續(xù)體劃分成有限個(gè)連續(xù)小單元體即對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

將材料相同且為綁定接觸連接的部件生成多體部件體，根據(jù)零部件的特性分別設(shè)置部件的網(wǎng)格尺寸大小。生成的雷達(dá)一分機(jī)有限元模型共有22.4萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，11.1萬(wàn)個(gè)單元，66個(gè)部件體和多體部件體，雷達(dá)一分機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。

圖2 一分機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)有限元模型

2 一分機(jī)炮振響應(yīng)分析

2.1 隨機(jī)振動(dòng)分析

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS中的Random Vibration隨機(jī)振動(dòng)分析功能模塊進(jìn)行一分機(jī)炮振響應(yīng)分析。

隨機(jī)振動(dòng)分析是一種基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的譜分析技術(shù)，隨機(jī)振動(dòng)分析中功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)記錄了激勵(lì)和響應(yīng)的均方根值與頻率的關(guān)系。因此，PSD是一條功率譜密度值-頻率值的關(guān)系曲線(xiàn)，亦即載荷時(shí)間歷程。

隨機(jī)振動(dòng)分析的輸入為：1)通過(guò)模態(tài)分析得到的結(jié)構(gòu)固有頻率和固有模態(tài)；2)作用于節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)或多點(diǎn)的PSD激勵(lì)曲線(xiàn)。隨機(jī)振動(dòng)分析輸出的是作用于節(jié)點(diǎn)的PSD響應(yīng)，包含位移響應(yīng)、應(yīng)力響應(yīng)和加速度響應(yīng)。

隨機(jī)振動(dòng)分析流程為：1)建立整個(gè)一分機(jī)天線(xiàn)和天線(xiàn)座的有限元模型；2)劃分網(wǎng)格并驗(yàn)證；3)按實(shí)際約束情況對(duì)天線(xiàn)座安裝面施加固定約束；4)對(duì)一分機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率和固有模態(tài)；5)分別將實(shí)測(cè)的天線(xiàn)座安裝面上X、Y、Z三個(gè)方向的炮振功率譜作為激勵(lì)，并施加固定約束；6)計(jì)算分析一分機(jī)在炮振激勵(lì)下的位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)，給出雷達(dá)一分機(jī)的響應(yīng)結(jié)果及部分關(guān)注位置節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)結(jié)果[5-6]，流程圖如圖3所示。

圖3 一分機(jī)隨機(jī)振動(dòng)分析流程圖

2.2 隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)炮振譜

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在雷達(dá)安裝基面上測(cè)得的炮振譜為加速度功率譜，測(cè)試的頻率范圍為0～2 560 Hz，測(cè)試頻率分辨率為1 Hz。測(cè)試方向?yàn)閄向、Y向和Z向，X向?yàn)樗缴湎?，也就是天線(xiàn)零位指向，Y向是橫向，Z向?yàn)榇怪狈较颉?/p>

天線(xiàn)座安裝面上的加速度功率譜密度見(jiàn)表2。

表2 天線(xiàn)座安裝面加速度功率譜密度

2.3 隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果

通過(guò)模態(tài)分析得到一分機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有模態(tài)，前6階固有頻率見(jiàn)表3，前6階固有模態(tài)如圖4所示。

表3 一分機(jī)前6階固有頻率

根據(jù)3個(gè)方向的加速度功率譜密度數(shù)據(jù)分別計(jì)算了一分機(jī)3個(gè)方向的位移響應(yīng)、應(yīng)力響應(yīng)，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 Z向炮振譜作用下3個(gè)方向位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)

圖6 Y向炮振譜作用下3個(gè)方向位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)

圖7 X向炮振譜作用下3個(gè)方向位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)

3 仿真結(jié)果分析

表4為在3個(gè)方向炮振譜下仿真計(jì)算結(jié)果的具體數(shù)據(jù)。可以看出，天線(xiàn)和天線(xiàn)座結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足保證天線(xiàn)指向精度的剛度要求，即天線(xiàn)陣面最大位移量小于1 mm；滿(mǎn)足抗炮振的強(qiáng)度要求，炮振下最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的最大許用應(yīng)力；滿(mǎn)足天線(xiàn)上安裝模塊(電源、陀螺、瓦片式數(shù)字子陣等)的區(qū)域在各個(gè)方向上對(duì)炮振的響應(yīng)加速度不大于100 m/s2的要求, 保證模塊正?？煽康墓ぷ鳌?/p>

火炮高射速射擊頻率為60～70 Hz和150～170 Hz，一分機(jī)前6階的固有頻率沒(méi)有和火炮高射速射擊頻率重合，符合抗炮振要求。同時(shí)一分機(jī)1階固有頻率(36.6 Hz)滿(mǎn)足大于伺服帶寬(10 Hz)3倍的要求。

表43個(gè)方向炮振譜下的仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)陣面及天線(xiàn)座結(jié)構(gòu)方案在炮擊激勵(lì)下的響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)論如下：

一分機(jī)的位移響應(yīng)滿(mǎn)足保證天線(xiàn)指向精度的要求，一分機(jī)的應(yīng)力響應(yīng)遠(yuǎn)小于所用材料的最大許用應(yīng)力，能夠承受炮擊振動(dòng)，一分機(jī)的加速度響應(yīng)滿(mǎn)足模塊正?？煽抗ぷ鞯囊?。

一分機(jī)前6階的固有頻率沒(méi)有和火炮高射速射擊頻率重合，符合抗炮振要求，一分機(jī)的固有頻率滿(mǎn)足伺服帶寬的要求。

天線(xiàn)陣面和天線(xiàn)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，雷達(dá)在炮振條件下可以正常工作。

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