張斌　徐方舟　郭愛民

摘? 要：采用有限元分析方法，借助HyperMesh軟件建立了天線罩測試轉臺的全機有限元計算模型，并歸納了同類機械結構有限元建模過程中的幾個重點問題;使用RADIOSS求解器進行仿真計算，得到了轉臺結構的靜動態(tài)特性分析結果，并根據(jù)分析結果對結構設計提出了相關優(yōu)化依據(jù)。

關鍵詞：天線罩測試轉臺;靜動態(tài)分析;有限元分析

中圖分類號：TN820? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）23-0012-04

Abstract： Using the finite element analysis method， the finite element calculation model of the Radome test turntable is established with the help of HyperMesh software， and several key problems in the finite element modeling process of similar mechanical structures are summarized; the simulation calculation is carried out using RADIOSS solver， the static and dynamic characteristic analysis results of the turntable structure are obtained， and the relevant optimization basis for the structural design is put forward based on the analysis results.

Keywords： Radome test turntable; static and dynamic analysis; finite element analysis

引言

天線罩測試轉臺是用于在微波暗室環(huán)境中對飛行器天線罩進行透波性能測試的關鍵設備，它用于模擬飛行器天線罩在空間進行偏航、俯仰、滾轉等姿態(tài)的運動，屬于一種高精度的運動仿真設備。文獻[1]中，研究者依據(jù)

GJB1801-93方法設計的預備試驗定量驗證了轉臺結構變形對轉臺回轉精度影響較大的結論。因此，轉臺臺體結構的靜動態(tài)力學特性直接影響其測試精度。

從二十世紀八十年代至今，關于轉臺結構靜動態(tài)特性的有限元分析已經從線彈性范圍內突破至非線性范圍（接觸問題、疲勞問題），但是大部分實際問題仍可以在線彈性范圍內獲得理想的分析結果。與此同時，有限元模型本身也隨著有限元程序和計算機硬件的發(fā)展而向真實結構逼近，網格劃分更精密，單元類型更豐富，分析得到的結果更逼近真實結果[2-7]。

天線罩測試轉臺的機械結構形式較為復雜，從結構力學角度來說，涉及到的結構形式包括：板殼、板殼構成的空腔變截面梁、實體。工程力學所提供的傳統(tǒng)靜力學計算方法需要對轉臺的結構模型做過多的假設和簡化處理，且動態(tài)特性計算困難。因此采用有限元分析方法，借助HypeMesh軟件建立完整的有限元計算模型，借助RADIOSS求解器對轉臺機械結構的靜動態(tài)特性進行仿真計算。

本文主要論述兩個問題：（1）探討建立轉臺整機有限元模型的方法和關鍵技術。（2）利用轉臺有限元模型進行動靜態(tài)仿真分析，并依據(jù)分析結果提出結構優(yōu)化依據(jù)。

1 轉臺結構方案及載荷條件

1.1 結構設計方案

天線罩測試轉臺的機械結構如圖1所示，圖1左為完整的機械結構，忽略其中的非承載功能性零部件，保留反映機械結構主要力學特性的部件，以便建立合理正確且高效的有限元計算模型。圖1右是簡化后的受力結構。

轉臺的主要受力結構主要由底座、方位法蘭座、方位主軸、方位搖臂、頂部支撐梁、俯仰左右支撐、自旋定部件等組成。為天線罩提供偏航、俯仰、滾轉三個軸系回轉運動，三軸在空間要求相互正交，各軸均有獨立的驅動元件。

底座由Q235鋼板拼焊成型，高剛性為整個轉臺提供穩(wěn)定的支撐和位置基準。方位搖臂采用鋼板拼焊成型的L形空腔變截面梁，頂部支撐采用鋼板拼焊成型的空腔梁，俯仰左右支撐均為箱形結構，自旋定部件因外形復雜而采用實體結構，天線罩通過螺釘連接的方式固定在自旋定部件上。

1.2 載荷條件

天線罩測試轉臺的結構在整個工作過程中所承受的外載荷主要有三部分：（1）轉臺及天線罩受重力引起的載荷;（2）軸系啟動和制動過程中產生的慣性載荷;（3）電機驅動力矩;轉臺與地面之間為剛性連接，所有自由度被完全約束。

2 轉臺結構靜動態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

對簡化后的轉臺結構建立有限元計算模型。其中關鍵的問題有如下幾個：

（1）幾何清理。將不影響結構整體力學特性的小特征（如倒角、退刀槽等小特征）清理掉。以提高模型的網格質量，降低計算成本。

（2）合理選擇單元類型。對于實體特征的結構（方位法蘭軸、方位主軸、自旋定部件）采用Solid單元建模、板殼特征的結構（底座、方位搖臂、俯仰左右支撐、頂部支撐梁、天線罩）采用Shell單元建模。圖2是各部件的有限元模型。

（3）機械聯(lián)接的處理

轉臺結構上采用的機械聯(lián)接方式主要有三種：焊接、螺栓聯(lián)接、螺釘聯(lián)接。

焊接作為純剛性聯(lián)接來處理，有限元模型中不考慮其彈性使用剛性單元來模擬。RADIOSS求解器提供的REB2剛性單元可以用來模擬這種剛性單元，如圖3所示。

螺栓聯(lián)接和螺釘連接當作彈性聯(lián)接來處理，有限元模型中考慮螺栓和螺釘?shù)膹椥?，使用BEAM單元模擬。螺栓及螺釘頭與對應區(qū)域的作用采用節(jié)點耦合或使用蜘蛛梁來模擬[8]，如圖4所示。并且在板間接合面定義接觸。

經過簡化模型、劃分網格、處理聯(lián)接關系、定義材料、定邊界條件等工作，建立了完整的轉臺有限元模型，如圖5所示。

2.2 天線罩測試轉臺靜態(tài)特性分析

在轉臺的測試工作過程中，每一次測試都是在轉臺運動到一個位置停止后進行的，因此只分析在重力載荷下轉臺結構的靜態(tài)特性，不考慮每次運動過程中啟動與制動帶來的慣性載荷。經計算，得到轉臺結構變形圖和應力分布圖，如圖6和圖7所示。

通過計算結果可以看出：（1）轉臺結構在靜載荷作用

下的最大形變位移出現(xiàn)在天線頂端，最大位移為3.69mm，轉換為天線軸線偏角為0.08°。由于此變形是各構件的變形的末端累積，因此可以在待測天線安裝到位后參考此軸線偏角進行反向調整消除此軸線偏角。（2）最大應力區(qū)域出現(xiàn)在俯仰支撐部件以及L形方位搖臂的直角位置，最大Vonmises應力為36.73MPa。應力集中區(qū)域材料為Q235鋼板，屈服極限為235MPa，遠大于結構應力，強度安全系數(shù)滿足要求。

2.3 天線罩測試轉臺動態(tài)特性分析

本次研究關注的動態(tài)特性為轉臺結構的模態(tài)。RADIOSS求解器支持蘭索仕方法（Lanczos Method）來求解特征值。提取前6階的模態(tài)，各階模態(tài)的固有頻率如表1所示，各階模態(tài)的振型如圖8所示。

模態(tài)分析的結果可以看出，轉臺的前4階固有頻率較低，從結構的振動特性來說容易產生低階共振。但是天線罩測試轉臺的實際工況是間歇運動，主要的外部激勵形式是啟動與制動產生的沖擊，不存在固定頻率的外部激勵，因此在此工況下轉臺結構不會發(fā)生共振。但是可以從結構設計的角度采取提高低階模態(tài)固有頻率的措施來增強轉臺結構的動態(tài)性能。

3 結束語

（1）總結了涉及多種單元類型混合的復雜裝配體結構的有限元建模過程中的重點問題，尤其是常見機械聯(lián)接的處理方法。并建立了完整的轉臺有限元模型。

（2）通過靜態(tài)特性的仿真計算，驗證了轉臺結構的強度滿足要求，轉臺結構的變形帶來的天線軸線偏角值，為轉臺的調整提供了一個參考值。

（3）通過動態(tài)特性的仿真計算，得到了轉臺結構低階固有頻率較低，結構設計應該增加方位搖臂的整體剛性，以提高結構的低階模態(tài)的固有頻率。

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