湯偉強，陳騰飛

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

某型機載雷達天線伺服系統(tǒng)的動力學分析*

湯偉強，陳騰飛

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

對某型機載雷達的天線伺服系統(tǒng)進行了動力學分析。首先根據(jù)天線結構和伺服單元結構的特點建立了有限元模型，然后在Patran/Nastran中進行了動力學分析，包括模態(tài)分析、沖擊響應分析、頻率響應分析、隨機振動分析等，全面評估此系統(tǒng)的動力學特性。此分析計算為后續(xù)的結構設計優(yōu)化、動力學設計提供了重要依據(jù)。

機載雷達；天線座；動力學分析；有限元

引 言

隨著電子技術的發(fā)展，越來越多的電子設備裝載到航空飛行器上，因而飛行器對于各類電子設備的減重要求越來越高[1-3]，但是環(huán)境力學條件是保持不變的或者要求更高。這樣在設計過程中，電子設備的剛強度富裕程度就越來越小，因此在設計過程中需要對電子設備進行全面的動力學特性評估和校核，保證結構的安全性和可靠性。對于機載雷達這一重要的航空電子設備，動力學特性分析尤為重要，特別是整個系統(tǒng)的動力學特性分析更能充分地反映整體結構動力學設計的優(yōu)劣[4]。

本文對某型機載雷達的天線伺服系統(tǒng)進行了全面的動力學分析。首先把Pro/E模型導入到Hypermesh中進行結構簡化和網(wǎng)格劃分，然后設定邊界條件。把有限元模型導入到Patran中根據(jù)不同的分析類型設定不同工況，提交到Nastran中進行分析計算。最后根據(jù)分析結果評估系統(tǒng)的動力學性能。

1 有限元模型的建立

1.1 伺服單元有限元模型建立

動力學分析求解應力時對網(wǎng)格質量要求比較高，因此為獲得較高可行度的結果，對伺服單元進行六面體結構化網(wǎng)格劃分。將結構中的電路板、傳感器等簡化為質量點通過MPC(多點約束)連接到安裝位置的節(jié)點上。在傳動軸上軸承的內圈外圈之間建立有6向剛度的PBUSH單元以模擬軸承，見圖1。部件與部件之間如果螺釘孔較多就用共節(jié)點的方式進行連接，如果螺釘孔較少，則用MPC連接。

圖1 軸承PBUSH單元

1.2 天線單元有限元模型建立

由于天線結構大多數(shù)屬于薄板殼類結構，因此將天線的大部分結構劃分為殼單元網(wǎng)格，其余結構劃分為六面體網(wǎng)格，風扇簡化為質量點。模塊的銷釘連接采用4個自由度的MPC來模擬。天線與天線座支臂之間的6個螺釘連接采用MPC約束螺母大小區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點來模擬。整個模型的單元數(shù)為566 484個，節(jié)點數(shù)達到725 274個。整個系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。

圖2 整體有限元模型

2 環(huán)境條件

沖擊響應分析是計算結構在瞬間力作用下的響應。沖擊載荷按照GJB 150.18A[5]的方法，采用后峰鋸齒波。在隨機響應工況中3個軸向采用相同的功率譜，功率譜密度的量值見GJB 150.16A[6]。

3 動力學分析

3.1 模態(tài)分析

采用Block Lanczos的方法進行模態(tài)求解，結果如表1所示。

表1 系統(tǒng)前8階固有頻率和振型

第1階為軸承引起的自由模態(tài)，第2、3階的振型如圖3所示。

圖3 第2、3階振型

第1階模態(tài)頻率較高，天線伺服系統(tǒng)整體剛度較好。第3階模態(tài)振型所對應的模態(tài)剛度比第2階小，與實際相符。

3.2 沖擊響應分析

采用模態(tài)法計算天線伺服系統(tǒng)的沖擊響應。響應最大值出現(xiàn)在向前沖擊工況的天線支臂位置，結果如圖4所示。從圖中可以看出，支臂向前沖擊工況下應力響應最大值為230 MPa，除去應力集中區(qū)，其他區(qū)域最大應力值在153～200 MPa之間。支臂材料為2A14，屈服強度為360 MPa。因此在模型向前沖擊工況下，這個零件是安全的。

圖4 支臂應力云圖

3.3 頻率響應分析

在天線座支臂固定螺紋孔區(qū)域節(jié)點處分別施加3個方向的單位正弦加速度載荷，分析得到結構各處的加速度響應曲線。選擇天線單元安裝點(左右對稱)一邊的3個節(jié)點(945020、943923、933320)提取頻響曲線，見圖5。其中向上加載工況的加速度放大倍數(shù)較大。

圖5 加速度頻響曲線

由圖5可見， 202.82 Hz的加速度頻率響應值最大，為節(jié)點933320的18.6 mm/s2，放大了18.6倍，放大倍數(shù)在可接受范圍內。模型受到模態(tài)分析中第4階的影響最大。

3.4 隨機振動分析

MSC Nastran對隨機振動的分析是作為頻率響應的后處理進行的。在3個工況的功率譜密度加載后，結果顯示應力最大值出現(xiàn)在向前加載工況的天線座支臂上，支臂的隨機振動響應應力云圖如圖6所示。從圖中可以看出，支臂隨機振動響應應力最大，最大值為58.3 MPa。云圖中的應力值為1σ應力，因此3σ應力的最大值應為174.9 MPa。支臂的屈服強度為360 MPa，結構安全系數(shù)為2.05，滿足要求。

圖6 支臂隨機振動響應應力云圖

測節(jié)點17876(伺服單元外殼固定孔處)、222295(伺服單元底部殼)、943964(支臂孔處)的功率譜密度響應，節(jié)點17876的RMS值為5.853g，這表示輸入載荷的RMS值為5.853g。節(jié)點943964的RMS值為10.94g，放大1.87倍。節(jié)點222295的RMS值為19.12g，放大3.27倍。具體的功率譜密度響應曲線如圖7所示。

圖7 功率譜密度響應曲線

整個模型的RMS分布云圖如圖8所示，最大值為29.6g，是輸入功率譜密度RMS值的5倍?？梢娝欧卧吞炀€的RMS值放大倍數(shù)都在合理范圍內。

圖8 RMS分布云圖

4 試驗驗證

通過3向掃頻試驗獲得結構前4階固有頻率，與仿真模型對比結果如表2所示。

表2 結構固有頻率對比

由誤差可見仿真結果有效，要進一步提高仿真精度，需要對仿真模型進行修正。

天線伺服系統(tǒng)的整體剛度對前4階的模態(tài)頻率值貢獻較大，而天線座支臂是兩部分連接的樞紐，因此支臂的連接剛度對整體剛度影響較大。原有限元模型采用RBE2單元多節(jié)點約束支臂孔和天線對應孔的周圍節(jié)點?，F(xiàn)提出用梁單元模擬螺釘連接，梁單元兩端分別采用MPC約束相應孔周圍節(jié)點。此方法能夠更精確地模擬螺釘連接。

由于天線結構復雜，難以精確建模，在建模過程中進行了簡化。原有限元模型只是保證了天線的重心、質量和實際模型相近。現(xiàn)提出更改模型，使轉動慣量和實際模型相近，提高模型精度。

5 結束語

通過對天線伺服系統(tǒng)進行模態(tài)分析、沖擊響應分析、頻率響應分析、隨機振動分析，得到動力學分析結果，評估系統(tǒng)的各項動力學性能指標均滿足要求。通過和試驗數(shù)據(jù)對比，前4階模態(tài)頻率誤差在3.1%內，說明仿真模型有效。針對仿真模型提出2條模型修正建議，在后續(xù)工作中實施。仿真結果對后續(xù)的結構動力學設計、優(yōu)化設計有借鑒意義。

[1] 梁震濤, 徐德好, 李玉峰, 等. 直升機載設備安裝架的隨機振動分析[J]. 電子機械工程, 2009, 25(5): 21-24.

[2] 王賢宙, 王長武. 基于MD.Nastran的某型機載雷達機箱力學仿真分析[J]. 電子機械工程, 2011, 27(1): 12-14.

[3] 任翠鋒, 牛忠文, 蘇濤, 等. 基于某無人機平臺的測云雷達結構動力學分析[J]. 測繪通報, 2014(S1): 94-98.

[4] 洪長滿, 段勇軍. 機載雷達天線座結構的剛強度性能評估[J]. 現(xiàn)代雷達, 2011, 33(6): 72-75.

[5] 李傳日. GJB 150.18A—2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第18部分：沖擊試驗[S]. 北京: 國防科學技術工業(yè)委員會軍用標準化中心研究室, 2009.

[6] 施榮明. GJB 150.16A—2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第16部分：振動試驗[S]. 北京: 國防科學技術工業(yè)委員會軍用標準化中心研究室, 2009.

湯偉強(1965-)，男，工程師，主要從事科技管理工作。

Dynamic Analysis of Antenna Servo System of an Airborne Radar

TANG Wei-qiang，CHEN Teng-fei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Dynamic analysis of the antenna servo system of an airborne radar is carried out in this article. First of all, the finite element model is constructed according to the structure characteristics of antenna and servo unit. Then dynamic analysis such as modal analysis, transient response analysis, frequency response analysis, random vibration analysis are performed using Patran/Nastran in order to evaluate the dynamic property of the system comprehensively. Analysis result of the article provides critical reference for future structure design optimization and dynamic design.

airborne radar; antenna pedestal; dynamic analysis; finite element

2016-12-27

TN820.3

A

1008-5300(2017)02-0031-03