劉建軍，洪林峰，林載譽(yù)

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

隨著電子設(shè)備的高速發(fā)展，雷達(dá)日益向多功能、集成化方向發(fā)展。同時(shí)，現(xiàn)代高科技條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能提出了更高的要求。就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，雷達(dá)功能需求的發(fā)展既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，尤為突出的是設(shè)備高度集成設(shè)計(jì)與雷達(dá)機(jī)動(dòng)性能之間的矛盾[1]。

雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能是產(chǎn)品研制的重要指標(biāo)之一，提高雷達(dá)機(jī)動(dòng)性是提高雷達(dá)生存能力和試用效率的有效手段之一[2]。隨著雷達(dá)功能、性能的增強(qiáng)，雷達(dá)的規(guī)模也越來越大，這對(duì)雷達(dá)的運(yùn)輸性提出了挑戰(zhàn)。某些大型雷達(dá)因重量、體積規(guī)模大大增加，單車已無法滿足其裝載運(yùn)輸要求。近年來，半掛車因機(jī)動(dòng)性能好、結(jié)構(gòu)形式自由多變、承載能力大、承載面低等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代大型車載機(jī)動(dòng)雷達(dá)中應(yīng)用十分普遍[3-4]。但傳統(tǒng)半掛車跨度大，剛性不足，一般無法滿足高精度雷達(dá)，特別是具有方位轉(zhuǎn)臺(tái)的大型雷達(dá)[5]的需求。

現(xiàn)代多功能雷達(dá)為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)多方位掃描，一般均需配備方位轉(zhuǎn)臺(tái)。為滿足設(shè)備集成設(shè)計(jì)，方位轉(zhuǎn)臺(tái)不僅需要承擔(dān)天線的旋轉(zhuǎn)支撐功能，還是后端電子設(shè)備的主要安裝平臺(tái)，所以對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的要求是設(shè)備安裝空間大，結(jié)構(gòu)剛度好[6-7]。但因受運(yùn)輸高度所限，普通半掛車的轉(zhuǎn)臺(tái)高度一般不宜超過400 mm，無法滿足大型雷達(dá)設(shè)備的安裝空間要求和承載剛度要求[8]。

本文針對(duì)某大型半掛車?yán)走_(dá)，對(duì)設(shè)備布局和單元功能進(jìn)行了綜合分析，創(chuàng)新性地提出了將半掛車車架與雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的思路，降低了雷達(dá)整車的運(yùn)輸高度，提高了雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能和轉(zhuǎn)臺(tái)剛度，滿足雷達(dá)精度要求。文中對(duì)該設(shè)計(jì)方案的工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，并通過有限元仿真和模擬試驗(yàn)，對(duì)該方案的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 提高某半掛車?yán)走_(dá)機(jī)動(dòng)性的設(shè)計(jì)思路

半掛車因其自身特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)車載雷達(dá)。雷達(dá)半掛車的一般布局是：天線座位于半掛車車架上方，轉(zhuǎn)臺(tái)在天線座的上部帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)；調(diào)平腿布置在半掛車車架上天線座的周邊，將整個(gè)半掛車及其上裝設(shè)備抬升調(diào)平；抗傾覆腿同樣布置在半掛車車架上。雷達(dá)的運(yùn)輸狀態(tài)如圖1所示。

圖1 雷達(dá)運(yùn)輸狀態(tài)

由于轉(zhuǎn)臺(tái)需要支撐天線陣面，半掛車需要支撐上裝設(shè)備，為滿足雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)、精度、安全性等方面的要求，兩者均需要足夠的高度來保證自身的剛度，因此整車運(yùn)輸高度也隨之增加。當(dāng)雷達(dá)規(guī)模較大時(shí)，整車高度將大大超出運(yùn)輸界限，無法通過涵洞和橋洞。為滿足運(yùn)輸需求，設(shè)備只能拆分運(yùn)輸，因而需增加運(yùn)輸車輛、起重設(shè)備、操作人員以及雷達(dá)架設(shè)撤收時(shí)間，大大降低了雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能。

半掛車車架作為設(shè)備的安裝、運(yùn)輸平臺(tái)，需要承載設(shè)備的重量及工作狀態(tài)下的風(fēng)載荷，需要很好的剛強(qiáng)度來滿足設(shè)備的安全性要求[4]。雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)是天線陣面的支撐平臺(tái)，為保證雷達(dá)系統(tǒng)的精度要求，也需要很好的剛強(qiáng)度來滿足使用要求。如將雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)和半掛車車架合二為一，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，則在保證轉(zhuǎn)臺(tái)所需剛度的同時(shí)，可大大降低整車的運(yùn)輸高度，滿足運(yùn)輸界限的要求。一體化轉(zhuǎn)臺(tái)雷達(dá)的運(yùn)輸狀態(tài)如圖2所示。

圖2 一體化轉(zhuǎn)臺(tái)雷達(dá)運(yùn)輸狀態(tài)

對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)和車架進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)后，不僅解決了整車超高的問題，而且因雷達(dá)設(shè)備不需拆分運(yùn)輸，減少了雷達(dá)架設(shè)撤收時(shí)間、運(yùn)輸單元和專用起重設(shè)備的數(shù)量，也因轉(zhuǎn)臺(tái)與車架合二為一，整車的重量也大大減小?？傊惑w化轉(zhuǎn)臺(tái)可大幅提升該雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)和半掛車車架進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)后，考慮到雷達(dá)需要進(jìn)行360°的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，天線座底座將安裝于一體化轉(zhuǎn)臺(tái)下方，帶動(dòng)半掛車架一起旋轉(zhuǎn)。而半掛車架又是車輛行走裝置的安裝平臺(tái)，為保護(hù)半掛車的后懸掛以及提高雷達(dá)方位旋轉(zhuǎn)時(shí)的系統(tǒng)安全性，考慮在雷達(dá)工作時(shí)將半掛車后懸掛與車架分離，因此要將半掛車后懸掛的快速脫離和安裝作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2.1 一體化轉(zhuǎn)臺(tái)雷達(dá)的設(shè)備布局設(shè)計(jì)

雷達(dá)是高精度設(shè)備，機(jī)動(dòng)雷達(dá)的工作場(chǎng)地是不固定的，因此，機(jī)動(dòng)雷達(dá)需要一個(gè)可調(diào)平的穩(wěn)固基礎(chǔ)。半掛車架與雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)一體化設(shè)計(jì)后，天線座底座布置在半掛車車架下方，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)功能時(shí)，半掛車車架就不能作為穩(wěn)固的調(diào)平基礎(chǔ)，因此不能將調(diào)平腿布置在半掛車車架上。本文創(chuàng)新性地將調(diào)平腿布置在天線座底座上，使其滿足調(diào)平基礎(chǔ)穩(wěn)固不動(dòng)的需求。雷達(dá)口徑大，風(fēng)載荷大，傾覆力矩大，需要較大的抗傾覆半徑來保證雷達(dá)在大風(fēng)條件下的抗傾覆能力，因此將抗傾覆腿與調(diào)平腿合二為一。調(diào)平腿安裝在抗傾覆腿安裝梁的端部，同時(shí)，抗傾覆腿可以旋轉(zhuǎn)收藏于車長(zhǎng)方向，使其同時(shí)滿足整車調(diào)平、抗傾覆及運(yùn)輸?shù)男枨?。天線座底座和調(diào)平腿的布局如圖3所示。

圖3 一體化轉(zhuǎn)臺(tái)布局圖(工作狀態(tài))

2.2 半掛車后懸掛設(shè)計(jì)

進(jìn)行半掛車后懸掛布局時(shí)，需考慮輪胎的彈跳量以及半掛車的縱向通過角、離去角等掛車性能因素，使整車滿足公路運(yùn)輸通過性的要求。如果半掛車后懸掛隨雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重心和轉(zhuǎn)動(dòng)中心就會(huì)不一致，就會(huì)增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏心力(矩)，從而降低雷達(dá)工作時(shí)的抗側(cè)向滑移能力和抗風(fēng)能力，同時(shí)影響雷達(dá)的外觀性能?？紤]到雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性，需要設(shè)計(jì)一種可快速拆卸的半掛車后懸掛形式。

半掛車后懸掛采用雙橋結(jié)構(gòu)，兩橋通過懸掛安裝在一個(gè)獨(dú)立的框架上，整體安裝在一體化轉(zhuǎn)臺(tái)尾部下方，連接處采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱旋鎖的結(jié)構(gòu)，可快速定位連接，連接后用螺栓鎖定[1]。后懸掛結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 可拆卸式后懸掛

為滿足后懸掛拆卸時(shí)的移動(dòng)需求，半掛車的氣路系統(tǒng)集成在后懸掛系統(tǒng)中，以保證一體化轉(zhuǎn)臺(tái)(車架)和后懸掛分離后，后懸掛的制動(dòng)系統(tǒng)能正常工作。后懸掛摘脫辦法：首先，打開后懸掛與一體化轉(zhuǎn)臺(tái)間的固定旋鎖，支起調(diào)平腿，使后懸掛與轉(zhuǎn)臺(tái)脫離；然后，解除后懸掛的制動(dòng)，利用配套的牽引車牽引獨(dú)立框架上的牽引環(huán)，將后懸掛從轉(zhuǎn)臺(tái)尾部向后拖出。

在產(chǎn)品的實(shí)際使用過程中，4個(gè)熟練工人可在3 min內(nèi)完成后懸掛的拆卸，滿足機(jī)動(dòng)雷達(dá)的作戰(zhàn)需求。

2.3 一體化轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

一體化轉(zhuǎn)臺(tái)采用箱梁結(jié)構(gòu)，由鋼板拼焊而成。由于融合了轉(zhuǎn)臺(tái)和半掛車架，因此它比單個(gè)車架或轉(zhuǎn)臺(tái)更高，大大提高了轉(zhuǎn)臺(tái)的剛度。其內(nèi)部空間增大后，可安裝更多的電子設(shè)備，大大減少了轉(zhuǎn)臺(tái)上的電纜數(shù)量，降低了對(duì)方位匯流環(huán)的需求。

設(shè)計(jì)時(shí)除考慮結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度和內(nèi)部設(shè)備的安裝接口外，還需要考慮與牽引車鞍座配套的牽引銷的安裝接口、后懸掛的安裝接口及天線座底座的安裝接口。一體化轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 一體化轉(zhuǎn)臺(tái)

一體化轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)作為運(yùn)輸平臺(tái)和支撐平臺(tái)，對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性提出了較高的要求，應(yīng)作為雷達(dá)結(jié)構(gòu)關(guān)重件進(jìn)行質(zhì)量把控。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證方案的可行性，確保一體化平臺(tái)的剛強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，本文對(duì)一體化轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了仿真分析。建模單位采用國際單位制，主要仿真工況包括雷達(dá)工作狀態(tài)和雷達(dá)運(yùn)輸狀態(tài)。

3.1 模型簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分

平臺(tái)仿真采用有限元軟件Ansys Workbench 15.0，前處理采用軟件Creo 2.0+Ansys Space Claim。首先，在Creo2.0中對(duì)平臺(tái)三維模型進(jìn)行初步簡(jiǎn)化，刪除非受力結(jié)構(gòu)、倒角和多余孔洞；然后，將模型導(dǎo)入Ansys Space Claim進(jìn)行抽殼、簡(jiǎn)化和連接處理。根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況采用殼單元和實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共計(jì)97 348個(gè)節(jié)點(diǎn)。各部件單元連接采用共節(jié)點(diǎn)耦合，有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型

3.2 材料參數(shù)

一體化轉(zhuǎn)臺(tái)全部采用厚鋼板345焊接而成，其材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

3.3 分析工況

一體化轉(zhuǎn)臺(tái)的典型使用工況為雷達(dá)工作狀態(tài)及雷達(dá)運(yùn)輸狀態(tài)。在工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)臺(tái)由4個(gè)調(diào)平腿支撐，主要承受各上裝設(shè)備自重及風(fēng)載荷；在運(yùn)輸狀態(tài)下，轉(zhuǎn)臺(tái)由牽引車鞍座和后懸掛支撐，主要承受各上裝設(shè)備自重及運(yùn)輸過程中的振動(dòng)載荷。

3.4 分析結(jié)果

圖7為某一體化轉(zhuǎn)臺(tái)在工作狀態(tài)下的位移云圖，最大變形為7.7 mm；圖8為工作狀態(tài)下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為107 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在掛車車架中部。

圖7 某一體化轉(zhuǎn)臺(tái)在工作狀態(tài)下的位移云圖

圖8 某一體化轉(zhuǎn)臺(tái)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

圖9為某一體化轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)輸狀態(tài)下的位移云圖，最大變形為4.1 mm；圖10為運(yùn)輸狀態(tài)下的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為92 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架中部。

圖9 轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)輸狀態(tài)下的位移云圖

圖10 轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)輸狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

從仿真分析結(jié)果可知，該一體化轉(zhuǎn)臺(tái)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力最大值為107 MPa，在運(yùn)輸狀態(tài)下的應(yīng)力最大值為92 MPa。該車架采用Q345鋼板焊接而成，材料屈服強(qiáng)度為345 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)大于3，滿足結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證一體化平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)安全性能，分別對(duì)在運(yùn)輸狀態(tài)、工作狀態(tài)2種支撐工況下的一體化平臺(tái)進(jìn)行了模擬載荷試驗(yàn)，并對(duì)關(guān)鍵受力部位進(jìn)行了應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)。

在2種工況下，轉(zhuǎn)臺(tái)均未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞及永久變形。經(jīng)測(cè)試，該一體化平臺(tái)最大變形為6.5 mm，最大應(yīng)力為96 MPa，最大變形和應(yīng)力的大小和出現(xiàn)的位置與仿真結(jié)果基本吻合。試驗(yàn)結(jié)果表明，該一體化平臺(tái)剛強(qiáng)度較好，滿足雷達(dá)使用需求。

5 結(jié)束語

車載雷達(dá)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程問題[2]，需要結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際并針對(duì)具體的工況進(jìn)行具體分析。本文綜合考慮了雷達(dá)的運(yùn)輸需求和轉(zhuǎn)動(dòng)需求，創(chuàng)新性地提出將半掛車架與雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)，改變了常規(guī)的半掛車設(shè)計(jì)模式，提升了雷達(dá)結(jié)構(gòu)性能，并通過仿真和試驗(yàn)2種手段驗(yàn)證了方案的可行性。半掛車架與雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)一體化集成設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)有效降低了運(yùn)輸設(shè)備重心高度，解決了雷達(dá)運(yùn)輸高度超限的問題，保證了整車運(yùn)輸?shù)陌踩院屯ㄟ^性；2)一體化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)臺(tái)空間得到大幅提升，轉(zhuǎn)臺(tái)空間利用率提高，大大減輕了高頻箱設(shè)備布局及匯流環(huán)環(huán)數(shù)的壓力；3)調(diào)平腿和抗傾覆腿一體化旋轉(zhuǎn)展收設(shè)計(jì)，滿足了雷達(dá)工作的調(diào)平需要和車輛運(yùn)輸?shù)男枰岣吡死走_(dá)的抗風(fēng)能力；4)半掛車后懸掛快速分離設(shè)計(jì)，既滿足了雷達(dá)工作的需要，又滿足了機(jī)動(dòng)雷達(dá)快速架設(shè)的需要，兩者兼顧，完美統(tǒng)一。

半掛車與雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)一體化集成設(shè)計(jì)方案可行，結(jié)構(gòu)可靠，能有效解決設(shè)備高度集成與機(jī)動(dòng)性能之間的矛盾。該設(shè)計(jì)思路可供同類產(chǎn)品研制參考。