馬保寧,楊 斌,沈文軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所,南京 210039)

高精度高架車載標(biāo)校系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

馬保寧,楊 斌,沈文軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所,南京 210039)

根據(jù)某艦載雷達(dá)的標(biāo)校特點(diǎn),完成了某高精度高架車載標(biāo)校系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。介紹了艦載雷達(dá)標(biāo)校的環(huán)境特點(diǎn)。根據(jù)研制指標(biāo)的要求設(shè)計(jì)了車載式移動(dòng)標(biāo)校系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,采用有限元法對(duì)系統(tǒng)的承載平臺(tái)和升降塔等關(guān)鍵部件進(jìn)行了力學(xué)仿真分析。仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,滿足艦載雷達(dá)的標(biāo)校需求。

艦載雷達(dá);標(biāo)校;高架;車載

0 引 言

為保持和提高雷達(dá)的測(cè)量精度,通常的合適方法就是在使用過程中定期或不定期地進(jìn)行標(biāo)校。雷達(dá)的標(biāo)校一般有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種方法。靜態(tài)標(biāo)校方法一般利用固定式標(biāo)校塔。艦載雷達(dá)受安裝位置和艦艇停靠碼頭的條件限制,一般需要可移動(dòng)式的高架高精度標(biāo)校系統(tǒng),方能滿足雷達(dá)靜態(tài)標(biāo)校的需求。

本文介紹了一種高架高精度的移動(dòng)式標(biāo)校系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì),并對(duì)其中的承載平臺(tái)和升降塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了詳細(xì)介紹。

1 標(biāo)校系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)共一個(gè)運(yùn)輸(工作)單元,設(shè)備艙、升降塔、油機(jī)、伺服控制箱、供油系統(tǒng)等上裝設(shè)備全部安裝在承載平臺(tái)上,通過承載平臺(tái)和載車連接。設(shè)備艙內(nèi)主要放置后端電子設(shè)備,油機(jī)用于給系統(tǒng)供電。上裝的主要設(shè)備為一套可升高40 m的升降塔。升降塔的頂端安裝有標(biāo)校喇叭和GPS天線等。為滿足某艦載雷達(dá)的標(biāo)校需求,升降塔升高40 m后,在4級(jí)風(fēng)情況下頂部的位移量要求小于80 mm。作為上裝設(shè)備的載體,承載平臺(tái)必須具備一定的剛強(qiáng)度,保證系統(tǒng)工作時(shí)在額定的風(fēng)載荷下的安全性和穩(wěn)定性。圖1為系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

承載平臺(tái)上除了安裝上裝設(shè)備外還安裝有調(diào)平腿和抗傾覆腿,具有良好的剛強(qiáng)度和穩(wěn)定性。平臺(tái)的外形尺寸為寬2 m、長(zhǎng)9.5 m,質(zhì)量約為5 t。主梁和邊梁均采用封閉式箱體結(jié)構(gòu),橫梁為C型梁。調(diào)平腿前后跨距為7.8 m,左右跨距為2 m;抗傾覆腿前后跨距為7 m,左右跨距為8.4 m。圖2為標(biāo)校系統(tǒng)承載平臺(tái)。

圖2 標(biāo)校系統(tǒng)承載平臺(tái)

2.2 升降塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降塔主要功能是作為安裝標(biāo)校天線的平臺(tái),使標(biāo)校天線上升到一定高度,在滿足穩(wěn)定性要求的前提下完成標(biāo)校工作,并且在車輛移動(dòng)運(yùn)輸前升降塔能夠進(jìn)行收回折疊和倒伏動(dòng)作,滿足運(yùn)輸要求。

升降塔塔架共有7層口徑不同的方型框架,從小到大,由內(nèi)到外層層空套。塔架的升降采用復(fù)合驅(qū)動(dòng)進(jìn)行同步升降。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由升降油缸和鋼絲繩滑輪組共同組成。升降塔七節(jié)塔架均采用桁架式結(jié)構(gòu),其迎風(fēng)面積小,由風(fēng)載荷引起的變形也小,所需管材的尺寸較小,質(zhì)量相對(duì)較輕。升降塔最大截面尺寸為1500 mm×1500 mm,其收回狀態(tài)總長(zhǎng)度不大于6.8 m。圖3為標(biāo)校系統(tǒng)升降塔。

圖3 標(biāo)校系統(tǒng)升降塔

3 系統(tǒng)力學(xué)分析

3.1 載荷分析

系統(tǒng)在架高工作時(shí)主要受到風(fēng)載荷的作用。塔體部分受到的風(fēng)載荷可按下式計(jì)算[1]:

式中,WK為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2),βZ為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，μS為風(fēng)載荷體型系數(shù)，μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，W0為基本風(fēng)壓(kN/m2)。

塔體以外的其他設(shè)備的風(fēng)載荷計(jì)算:

Fx=9.8·Cx·A·V2/16(N)

式中,Cx為風(fēng)阻力系數(shù),A為物體特征面積 (m2),V為風(fēng)速 (m/s)

3.2 模型簡(jiǎn)化

平臺(tái)部分將梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元進(jìn)行切割,將平臺(tái)各焊接單元進(jìn)行合并生成一個(gè)整體,并簡(jiǎn)化液壓調(diào)平腿和抗傾覆支撐腿的建模?？紤]到載車車梁對(duì)標(biāo)校車平臺(tái)受力影響較大,將載車車梁經(jīng)過簡(jiǎn)化后納入模型中。簡(jiǎn)化后標(biāo)校車平臺(tái)模型由平臺(tái)骨架、載車車梁、調(diào)平腿和抗傾覆腿組成。

將平臺(tái)骨架與調(diào)平腿及抗傾覆支撐腿直接進(jìn)行綁定(Bonded)。平臺(tái)骨架和載車車梁通過接觸面進(jìn)行綁定。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,見圖4。

圖4 平臺(tái)網(wǎng)格模型

升降塔建模時(shí),先分別建立每節(jié)塔結(jié)構(gòu)的有限元模型,然后再進(jìn)行裝配。立柱、底座和圍框等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用殼單元?jiǎng)澐?橫梁和斜梁等加強(qiáng)管結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?殼單元與梁?jiǎn)卧g連接部位采用共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。圖5為單節(jié)升降塔模型。

圖5 單節(jié)升降塔模型

在各部分模型完成的基礎(chǔ)上,將承載平臺(tái)以及各段塔結(jié)構(gòu)裝配成整個(gè)升降塔系統(tǒng)的有限元模型。根據(jù)各部分零件的厚度不同,建立相關(guān)的零部件(component)。圖6為系統(tǒng)網(wǎng)格模型。

圖6 系統(tǒng)網(wǎng)格模型

標(biāo)校車單側(cè)受風(fēng)載,其受力側(cè)抗傾覆支撐腿可認(rèn)為不與地面接觸[2-4]。因此,只固定4個(gè)液壓調(diào)平腿和一側(cè)的2個(gè)抗傾覆支撐腿。

3.3 工況介紹

該系統(tǒng)所受的載荷主要包括上裝電子設(shè)備質(zhì)量、載車質(zhì)量、平臺(tái)自重和風(fēng)載荷,約束點(diǎn)為4個(gè)調(diào)平腿和4個(gè)抗傾覆腿,共計(jì)算2種工況:

工況1 系統(tǒng)工作狀態(tài),升降塔升起,4級(jí)風(fēng)(7.9 m/s)載荷,4個(gè)調(diào)平腿與2個(gè)抗傾覆腿支撐,保精度工作。

工況2 系統(tǒng)工作狀態(tài),升降塔升起,8級(jí)風(fēng)(20.8 m/s)載荷,4個(gè)調(diào)平腿與2個(gè)抗傾覆腿支撐,保證撤收。

3.4 力學(xué)分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果,在工況1情況下,第6和第7段塔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大,應(yīng)力值最大的節(jié)點(diǎn)位移第4段塔結(jié)構(gòu)底座,應(yīng)力值為19.2 MPa,其余位置的應(yīng)力值較小。應(yīng)力最大值遠(yuǎn)小于材料屈服極限,結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。液壓塔頂部的位移值最大,為3.88 mm。圖7為風(fēng)速7.9 m/s時(shí)系統(tǒng)應(yīng)力和位移云圖。

在工況2時(shí),升降塔整體應(yīng)力分布云圖和位移如圖8所示。與工況1類似,第6和第7級(jí)塔結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力普遍較大。最大應(yīng)力出現(xiàn)在第6級(jí)塔結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)梁?jiǎn)卧?應(yīng)力值約為100 MPa,應(yīng)力值小于塔結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力,塔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

通過仿真計(jì)算可以看出,系統(tǒng)在工作條件規(guī)定的風(fēng)載荷下應(yīng)力值較小,升降塔頂部的位移值也滿足要求。

圖7 風(fēng)速7.9 m/s時(shí)系統(tǒng)應(yīng)力和位移云圖

圖8 風(fēng)速20 m/s時(shí)系統(tǒng)應(yīng)力和位移云圖

4 結(jié)束語

根據(jù)艦載雷達(dá)的標(biāo)校需求,結(jié)合車載設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了高精度高架車載標(biāo)校系統(tǒng)。研制過程中對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了力學(xué)分析,結(jié)果表明系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)該結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)校系統(tǒng)也可供類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

[1] 王肇民,馬人樂.塔式結(jié)構(gòu)[M]．北京:科學(xué)出版社,2004.

[2] 賀鵬.某無源高架雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].電子機(jī)械工程,2007(6):37-39.

[3] 程春紅.某高架機(jī)動(dòng)性雷達(dá)力學(xué)試驗(yàn)[J].電子機(jī)械工程,2006(4):30-33.

[4] 趙希芳.車載雷達(dá)力學(xué)分析中支腿邊界條件的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2003(12):17-19.

Structural design and mechanical analysis of an elevatedvehicle-borne calibration system with high precision

MA Bao-ning, YANG Bin, SHEN Wen-jun

(No. 14 Research Institute of CETC, Nanjing 210039)

According to the calibration features of a shipborne radar, the structural design of a high-precision elevated vehicle-borne calibration system is completed. The environment characteristics of the calibration of the shipbome radar are introduced. According to the specification requirements of the development, the vehicle-borne mobile calibration system is designed, on the basis of which the critical components of the system such as the hosting platform and the lifting tower are analyzed with the finite element method via the mechanical simulation. The simulation results indicate that the structural design of the system is reasonable, which can satisfy the demands of the calibration of the shipbome radar.

shipborne radar; calibration; elevated; vehicle-borne

2016-11-28;

2016-12-02

馬保寧(1962-),男,工程師,研究方向:雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體;楊斌(1989-),碩士,助理工程師,研究方向:雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體;沈文軍(1970-),研究員高級(jí)工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體。

TN959.72

A

1009-0401(2017)01-0052-03