周晨龍，劉 軒

（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

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)噴氣式飛機(jī)、制導(dǎo)導(dǎo)彈及彈道導(dǎo)彈等高速目標(biāo)的快速發(fā)現(xiàn)和反制，縮短雷達(dá)反應(yīng)時(shí)間的需求在日益增加[1]。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全向化、高目標(biāo)探測(cè)的高數(shù)據(jù)率需求，提高天線轉(zhuǎn)速成為提高數(shù)據(jù)率的一個(gè)重要手段。但是，如果增加天線方位轉(zhuǎn)速，方位上部天線及其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)力矩、不平衡力矩等載荷都會(huì)增加，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也隨之提高。

某型車載火控雷達(dá)為搜跟一體型雷達(dá)，具有高轉(zhuǎn)速自主搜索、高精度自主跟蹤及快速搜轉(zhuǎn)跟等功能。俯仰機(jī)構(gòu)是該型車載火控雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，安裝在雷達(dá)方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，其主要功能是支撐天線及雷達(dá)陣面作戰(zhàn)狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。

該雷達(dá)在實(shí)際使用過(guò)程中主要包括轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸、陣地陣面展開/撤收、搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤等幾種工況。本文通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)Simcenter 3D、AMESim系統(tǒng)仿真及ANSYS Workbench等仿真軟件，從力學(xué)計(jì)算和仿真等方面對(duì)雷達(dá)在陣地陣面展開/撤收、搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤3種工況展開分析。

1 俯仰殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1）天線質(zhì)量：1 300 kg；

2）俯仰翻轉(zhuǎn)角度范圍：0°～90°；

3）俯仰翻轉(zhuǎn)時(shí)間：≤90 s；

4）工作風(fēng)速：30 m/s（正常工作）；

5）搜索轉(zhuǎn)跟蹤時(shí)間：2 s；

6）搜索狀態(tài)轉(zhuǎn)速：40 r/min；

7）搜索啟動(dòng)時(shí)間：≤4 s。

1.2 俯仰機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)該雷達(dá)的功能及性能指標(biāo)要求，該俯仰機(jī)構(gòu)主要由俯仰殼體、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、角度傳感器及轉(zhuǎn)軸等組成，如圖1所示。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)液壓缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)陣面天線的翻轉(zhuǎn)；角度傳感器用于測(cè)量陣面天線的翻轉(zhuǎn)角度，并對(duì)角度信息實(shí)時(shí)采集并傳輸。

圖1 俯仰機(jī)構(gòu)組成

1.3 俯仰殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]

根據(jù)俯仰殼體在俯仰機(jī)構(gòu)中的主要功能、力學(xué)性能及安裝接口等要求，對(duì)俯仰殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。俯仰殼體整體采用鑄造成型，材料為ZL114A，拉伸強(qiáng)度為310 MPa。根據(jù)受力分布對(duì)俯仰殼體內(nèi)部進(jìn)行加筋處理，保證其剛度及強(qiáng)度要求。

圖2 俯仰殼體結(jié)構(gòu)圖

2 力學(xué)計(jì)算與仿真分析

2.1 陣面展開/撤收

陣面展開/撤收過(guò)程中俯仰殼體的受力主要由陣面天線重力和作用在陣面天線上的風(fēng)載荷產(chǎn)生，受力點(diǎn)主要為陣面天線和液壓缸在俯仰殼體上的安裝支點(diǎn)及俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝面。

本節(jié)主要通過(guò)陣面天線風(fēng)載計(jì)算及動(dòng)力學(xué)仿真兩個(gè)途徑對(duì)風(fēng)載環(huán)境下陣面倒伏過(guò)程中俯仰殼體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。

2.1.1 陣面倒伏過(guò)程中風(fēng)載荷的計(jì)算[3]

陣面倒伏過(guò)程中的受力可以通過(guò)理論公式進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)對(duì)陣面正吹時(shí)陣面繞俯仰軸的力矩為：

式中：A1為風(fēng)對(duì)陣面的正吹面積；q= 0.5ρv2為動(dòng)壓頭（ρ為空氣密度，0.125 kg·s2/m4；v為工作風(fēng)速，30 m/s）；c為陣面正面幾何中心到俯仰軸的距離，取值為1 m；CX為陣面風(fēng)阻力系數(shù)；g為重力加速度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，負(fù)載風(fēng)力矩Mr= 2 473.12 sinθN·m，θ為陣面倒伏角度，取值0°～90°（陣面水平狀態(tài)為0°）。

2.1.2 陣面倒伏過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)仿真

為了對(duì)俯仰殼體在受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析判斷，本節(jié)采用Simcenter 3D動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)陣面倒伏過(guò)程中俯仰殼體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。仿真時(shí)，對(duì)俯仰殼體進(jìn)行柔性化處理（如圖3所示），劃分單元網(wǎng)格，添加材料特性，設(shè)置俯仰殼體對(duì)外接口及與方位轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面的連接關(guān)系。同時(shí)，為了更加精確地仿真出風(fēng)載作用下不同倒伏角度的俯仰殼體的受力狀態(tài)，仿真時(shí)將上節(jié)計(jì)算的風(fēng)載荷采用Simcenter 3D& AMESim（1D）聯(lián)合仿真軟件添加到陣面天線上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，其工作方式如圖4所示。

圖3 俯仰殼體柔性化模型

圖4 1D & 3D聯(lián)合仿真的工作方式

通過(guò)仿真運(yùn)算，可以得出0°～90°翻轉(zhuǎn)過(guò)程中俯仰殼體應(yīng)力主要集中在鉸接點(diǎn)A和B（見圖8）處，最大應(yīng)力約為40 MPa，應(yīng)力曲線見圖5（a），仿真時(shí)間和翻轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5（b）所示。

圖5 俯仰殼體應(yīng)力曲線及仿真時(shí)間和翻轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖5可以看出，在0°附近時(shí)，A、B點(diǎn)應(yīng)力均存在波動(dòng)。通過(guò)分析可知，0°處于陣面天線翻轉(zhuǎn)的啟動(dòng)階段，由于陣面翻轉(zhuǎn)時(shí)的慣量較大，存在一定的沖擊振動(dòng)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定后，受力將趨于平穩(wěn)。受力趨勢(shì)及結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合，且最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤狀態(tài)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，陣面天線搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤狀態(tài)主要分為啟動(dòng)加速階段（啟動(dòng)時(shí)間為4 s）、穩(wěn)定搜索階段（轉(zhuǎn)速為240（°）/s）和搜索轉(zhuǎn)跟蹤階段（轉(zhuǎn)速?gòu)?40（°）/s減為0，用時(shí)2 s）。同時(shí)，3個(gè)階段的工作過(guò)程中，俯仰殼體受到的載荷均為陣面天線及俯仰機(jī)構(gòu)自身載荷及外部載荷，其中，自身載荷主要為重力及動(dòng)不平衡力矩，外部載荷主要為風(fēng)載。

2.2.1 動(dòng)不平衡力矩

俯仰殼體及上方安裝的陣面天線、液壓缸、轉(zhuǎn)軸等零部件繞旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，因?yàn)樾螤罴皟?nèi)部組織不均勻，在俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的不平衡力矩，即動(dòng)不平衡力矩，如圖6所示。計(jì)算可得，動(dòng)不平衡力矩為：

圖6 俯仰機(jī)構(gòu)動(dòng)不平衡力矩受力簡(jiǎn)圖

式中：n為質(zhì)量點(diǎn)數(shù)；Fxi、Fyj為俯仰機(jī)構(gòu)各質(zhì)量點(diǎn)的離心力；Lxi、Lyj為俯仰機(jī)構(gòu)各質(zhì)量點(diǎn)的離心力z軸的力臂。

由于俯仰機(jī)構(gòu)（包括陣面天線、液壓缸及俯仰殼體等零部件）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論上無(wú)法對(duì)該不平衡力矩進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，因此將其質(zhì)量及尺寸特性直接帶入動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2.2 風(fēng)載荷的計(jì)算[4]

由于Simcenter 3D軟件在動(dòng)力學(xué)仿真中無(wú)法直接添加風(fēng)場(chǎng)，本文首先通過(guò)ANSYS Workbench軟件中的fluent模塊對(duì)陣面在0°～360°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的風(fēng)力矩進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果通過(guò)AMESim（1D）添加到Simcenter 3D軟件中的陣面模型上。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)fluent模塊對(duì)陣面天線及俯仰機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)力矩進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示，其中仿真起始點(diǎn)為陣面受到正面風(fēng)作用時(shí)，此時(shí)俯仰機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°。

圖7 風(fēng)力矩曲線

從圖7可以看出，風(fēng)力矩隨天線的轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，擬合得出該陣面天線轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中風(fēng)力矩f和轉(zhuǎn)動(dòng)角度x的函數(shù)關(guān)系為：

仿真分析時(shí)，可以將陣面天線轉(zhuǎn)動(dòng)角度分段帶入式（3），得到陣面天線在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中任意位置的風(fēng)力矩大小。

2.2.3 仿真及分析[5]

本節(jié)依然通過(guò)Simcenter 3D & AMESim（1D）聯(lián)合仿真的方法對(duì)陣面天線在搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤過(guò)程中俯仰殼體的受力進(jìn)行仿真分析。仿真過(guò)程中兩個(gè)軟件之間的工作方式與圖4一致，也是通過(guò)將Simcenter 3D中陣面轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)角度值通過(guò)數(shù)據(jù)交互接口傳遞給AMESim軟件進(jìn)行運(yùn)算，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)交互接口將計(jì)算出的風(fēng)力矩傳遞給Simcenter 3D軟件，最終添加到陣面上。

仿真時(shí)，Simcenter 3D動(dòng)力學(xué)仿真模型采用2.1節(jié)的仿真模型（如圖3所示），將模型中陣面天線的重心調(diào)整在俯仰機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線上，與實(shí)際產(chǎn)品的工作狀態(tài)一致，同時(shí)調(diào)整與AMESim的數(shù)據(jù)交互接口；AMESim中的模型主要包括角度判斷、分段計(jì)算及數(shù)據(jù)交互3個(gè)部分。

通過(guò)仿真計(jì)算得到陣面轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中俯仰殼體應(yīng)力云圖（圖8）和俯仰殼體的應(yīng)力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間的關(guān)系曲線（圖9）。

由圖8、圖9可見，俯仰殼體應(yīng)力主要集中在俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝面附近C點(diǎn)處，且在0～4 s的加速階段和25～27 s的減速階段最大，最大應(yīng)力約為20 MPa；鉸接點(diǎn)A和B處的應(yīng)力在4～25 s搜索階段最大，其中A點(diǎn)的最大應(yīng)力約為6 MPa，B點(diǎn)的最大應(yīng)力約為12 MPa。

圖8 俯仰殼體應(yīng)力云圖

圖9 俯仰殼體的應(yīng)力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間的關(guān)系曲線

通過(guò)分析可知，搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤過(guò)程中，俯仰殼體上的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足相關(guān)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某型火控雷達(dá)俯仰殼體風(fēng)載環(huán)境下的陣面展開與撤收、高轉(zhuǎn)速搜索及搜轉(zhuǎn)跟工作狀態(tài)下的受力進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出了陣面天線在風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下倒伏過(guò)程及高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)風(fēng)力矩和不平衡力矩的計(jì)算及仿真方法。通過(guò)ANSYS Workbench的運(yùn)用以及Simcenter 3D & AMESim（1D）聯(lián)合仿真，使仿真環(huán)境更接近實(shí)際情況，提高了仿真的可信度，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。