房建斌

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

在跟蹤雷達(dá)結(jié)構(gòu)中，天線座作為支撐雷達(dá)天線、實現(xiàn)伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要結(jié)構(gòu)組成部分，具有非常關(guān)鍵的作用[1]。

傳統(tǒng)設(shè)計天線座的思路為：參照類似的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、修改結(jié)構(gòu)、再仿真分析…，不斷迭代，最終獲得滿意的設(shè)計結(jié)果。這種參數(shù)修正和試錯相結(jié)合的方式滿足不了短時間、多變量條件下，幾何特性、物理特性和綜合力學(xué)性能相互耦合的優(yōu)化設(shè)計要求，存在設(shè)計周期較長、設(shè)計結(jié)果整體性差，結(jié)構(gòu)整體問題和某一具體問題相互交織，難以協(xié)調(diào)解決等。因此，摸索出一種基于造型和布局優(yōu)化、約束優(yōu)化、關(guān)鍵零部件拓?fù)鋬?yōu)化的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法成為解決問題的有效途徑[2]。

某跟蹤雷達(dá)天線座內(nèi)部零部件主要包括：方位傳動、俯仰傳動，以及電源等單元模塊。在功能試驗中發(fā)現(xiàn)整體剛度較低、局部強度較弱、造型不夠美觀等問題，如何在天線座自身重量、外部尺寸、接口關(guān)系受限的條件下一次性、高效、系統(tǒng)性地提高其力學(xué)性能，兼顧造型設(shè)計成為優(yōu)化設(shè)計成功的關(guān)鍵。

1 造型優(yōu)化設(shè)計

產(chǎn)品造型符合使用環(huán)境要求，具有整體協(xié)調(diào)美非常重要。該雷達(dá)天線座采用俯仰/方位叉臂式總體結(jié)構(gòu)形式[1]，天線座總體結(jié)構(gòu)確定后，方位傳動、俯仰傳動形式及結(jié)構(gòu)布局基本上不發(fā)生大的變化，針對產(chǎn)品的造型優(yōu)化設(shè)計的重點在于使產(chǎn)品外部造型更加協(xié)調(diào)。

通過如圖1所示的草圖設(shè)計、細(xì)節(jié)設(shè)計、整體美化及多次迭代改善了產(chǎn)品外觀美觀度，滿足了人因工程需求，提升了產(chǎn)品的外在使用感受，天線座在造型優(yōu)化設(shè)計后具有以下幾點優(yōu)勢：

圖1 造型布局草圖設(shè)計

1)天線座整體造型和諧統(tǒng)一、體現(xiàn)了產(chǎn)品硬朗的風(fēng)格；

2)解決了局部零件之間視覺割裂、拼湊、臃腫的細(xì)節(jié)問題；

3)兼顧了后期加工制造的工藝合理性、人機工程交互的合理性等諸多因素。

外部造型優(yōu)化對下一步約束優(yōu)化和構(gòu)型優(yōu)化提供了努力的方向，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布局結(jié)合產(chǎn)品功能和性能通過結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化得以統(tǒng)籌提升。

2 約束優(yōu)化設(shè)計

天線座的約束包括外部約束和內(nèi)部約束，外部約束主要是天線座和外部基座相連接的約束，內(nèi)部約束主要是各個主要零部件之間相互連接之間的約束。一般情況下，內(nèi)、外部約束多是通過若干個螺栓或者螺栓組連接，如：方位殼體和軸承之間、軸承和杯型件之間、杯型件和俯仰殼體之間的連接均通過螺栓進(jìn)行連接。

實驗測試表明，螺栓連接作為零件之間載荷傳遞的主要路徑，成為動載荷下最為薄弱的環(huán)節(jié)，一般在振動試驗中容易發(fā)生故障，主要表現(xiàn)為[5-7]：

1)零件連接部位在動載荷作用下發(fā)生局部燒蝕、磨損、開裂等現(xiàn)象；

2)動載荷作用下螺栓發(fā)生疲勞斷裂破壞。

如圖2所示。

圖2 零件振動燒蝕、磨損

該天線座約束優(yōu)化設(shè)計的重點在內(nèi)部約束，主要依靠以下四項措施得以解決存在的故障：

1)擴(kuò)大方位軸承尺寸，提高其抗傾覆力矩能力；

2)增加方位軸承和方位殼體、俯仰殼體零件之間螺栓連接的數(shù)量；

3)優(yōu)化方位軸承和零件之間螺栓連接位置的分布；

4)將原俯仰殼體和杯型件進(jìn)行合并，如圖3所示，減少螺栓連接的層級。

圖3 俯仰殼體和杯型件合并

通過內(nèi)部約束優(yōu)化，使螺栓的分布排列更加合理、受力更為均勻，增強了方位殼體、俯仰殼體、方位軸承連接處的承載能力，使載荷在天線座內(nèi)部各零件之間傳遞更為順暢有效，從而解決了動載荷下螺栓連接最為薄弱的問題。

由于零件連接處基材的剛強度、受力的合理性與零部件結(jié)構(gòu)構(gòu)型緊密相關(guān)，因此還需要對結(jié)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計

在載荷、外部尺寸與重量等指標(biāo)限制要求下，對關(guān)鍵零部件——俯仰殼體通過拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化，從而找出結(jié)構(gòu)的最優(yōu)材料布局、載荷的傳遞路徑、結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)等，在保持結(jié)構(gòu)輕量化的前提下，在滿足內(nèi)、外部約束條件的同時，使天線座剛度指標(biāo)性能最大、結(jié)構(gòu)布局合理、應(yīng)力分布均勻。

本文采用Hyperworks軟件平臺對造型和約束優(yōu)化后的俯仰殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，進(jìn)行單元劃分、材料屬性設(shè)置、載荷約束等過程[3-4]。俯仰殼體有限元模型如圖4所示。

圖4 俯仰殼體有限元模型

3.1 俯仰殼體設(shè)計域的劃分和處理

1)設(shè)計域：俯仰殼體拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計域見圖4中標(biāo)識區(qū)域。

2)非設(shè)計域：下部深色區(qū)域和頂端標(biāo)識區(qū)域以及俯仰殼體表面預(yù)留一層厚度為8mm的2D殼單元。

采用混合拆分處理模式，對俯仰殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

3.2 俯仰殼體拓?fù)鋬?yōu)化

在軟件中對模型拓?fù)鋬?yōu)化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對優(yōu)化約束及優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行迭代修改，約束結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)為0.15，最小優(yōu)化尺寸為0.12，以結(jié)構(gòu)整體剛度最大化為目標(biāo)進(jìn)行分析，通過若干次迭代分析，最終得到了比較理想的拓?fù)浣Y(jié)果，如圖5所示。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果云圖

3.3 俯仰殼體模型重構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的云圖不能夠直接使用于具體的工程設(shè)計，必須對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行綜合考慮，提取其拓?fù)涮卣鬟M(jìn)行重構(gòu)，通過構(gòu)建重構(gòu)模型的有限元模型，并對新的模型進(jìn)行尺寸優(yōu)化和加強筋優(yōu)化，給出俯仰殼體的最終設(shè)計模型，用于工程實際，如圖6所示。

圖6 俯仰殼體最終優(yōu)化模型參數(shù)

3.4 俯仰殼體內(nèi)部布局優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果除了給出圖6所示的俯仰殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強筋的分布和尺寸以外，針對由于初始設(shè)計存在的內(nèi)部零部件布局不合理，造成力學(xué)性能不足的問題，給出了內(nèi)部設(shè)備安裝布局、結(jié)構(gòu)開孔更為合理的位置調(diào)整方案，使之和俯仰殼體融為一個整體，共同承載，如圖7所示。

圖7 內(nèi)部布局優(yōu)化模型圖

具體調(diào)整有以下幾點：

1)天線座開孔位置由前部轉(zhuǎn)移到頂部；

2)內(nèi)部電源等模塊結(jié)構(gòu)直接承受部分載荷；

3)后部窗口由單一腔體改為雙腔體設(shè)計；

4)對鑄造加工方案給出了合理的建議和思路。

4 動力學(xué)仿真分析

為了驗證天線座整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，重點對其進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析，包括模態(tài)、結(jié)構(gòu)頻響、沖擊、顛振和抗炮振分析等。本文著重以模態(tài)和結(jié)構(gòu)頻響分析為例進(jìn)行了說明。

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有屬性。按照GJB1060.1-1991中的振動試驗要求[8]，仿真掃頻振動輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 掃頻振動輸入?yún)?shù)

通過仿真分析，天線座結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后1～5階固有頻率如表2所示。

表2 天線座優(yōu)化前后1～5階固有頻率

通過表2中結(jié)果可以得出：優(yōu)化后對天線座整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)力學(xué)性能影響最大的一階固有頻率提升63.5%，二階固有頻率提升62.6%，可以得到優(yōu)化后的天線座整體剛度性能獲得了較大提升。

4.2 連接螺孔處應(yīng)力分析

約束優(yōu)化、構(gòu)型優(yōu)化后，杯型件和俯仰殼體之間通過螺栓連接的薄弱環(huán)節(jié)已經(jīng)消除。對方位殼體和軸承之間、軸承和俯仰殼體之間的螺栓孔處連接基材進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖8、圖9應(yīng)力云圖所示。

圖8 俯仰殼體和軸承連接應(yīng)力云圖

圖9 軸承和方位殼體連接應(yīng)力云圖

對比初樣機，螺孔處應(yīng)力由300MPa降到100MPa左右，遠(yuǎn)小于螺孔基材的抗拉極限，滿足性能要求，不會發(fā)生基材燒蝕等現(xiàn)象。

4.3 結(jié)構(gòu)頻響分析

通過仿真和實驗分析，對天線座影響最大的是一階和二階固有頻率，因此本文重點一階和二階固有頻率共振點進(jìn)行頻響分析。圖10至圖13給出了響應(yīng)最嚴(yán)酷方向的位移和應(yīng)力分析結(jié)果。

圖10 一階位移響應(yīng)云圖

圖11 一階應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖12 二階位移響應(yīng)云圖

圖13 二階應(yīng)力響應(yīng)云圖

通過圖10至圖13的仿真結(jié)果可以得到：

在一階共振時，天線座位移響應(yīng)最大為14mm(優(yōu)化前為26mm)，俯仰殼體整體的位移也明顯下降，下半部分位移幾乎可以忽略；最大應(yīng)力350Mpa在鈦合金撥叉位置上；俯仰殼體總體應(yīng)力已經(jīng)控制在70～80Mpa之間，棱邊應(yīng)力在100Mpa左右，應(yīng)力分布均勻，均在安全范圍內(nèi)，符合疲勞強度要求[7]。

在二階共振時，整體結(jié)構(gòu)位移更小，最大僅有4mm(優(yōu)化前為18mm)，主要振型為前后點頭；最大應(yīng)力在鈦合金撥叉位置上，為172Mpa；俯仰殼體最大應(yīng)力值僅有76Mpa，且應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中點幾乎沒有。

4.4 結(jié)果分析

基于協(xié)同優(yōu)化設(shè)計后的天線座整體造型美觀，一次性整體力學(xué)性能基本上能夠達(dá)到理想的結(jié)果，雖然還具有極少量的應(yīng)力集中點，如天線座俯仰殼體棱邊、拐角處還存在應(yīng)力集中點，但是通過過局部修正，很快能夠達(dá)到滿意的效果，不需要對整個天線座再進(jìn)行二次大的修改和重新建模、仿真，付出的代價較小。

5 結(jié)束語

基于協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計方法和設(shè)計思路，有效解決了某艦載天線座在外形尺寸、重量等諸多限制條件下存在的造型美觀問題以及剛度弱、應(yīng)力超限、應(yīng)力嚴(yán)重分布不均等力學(xué)方面的問題，具有一次建模前瞻性較好、結(jié)構(gòu)整體性較好，同時兼顧了細(xì)節(jié)設(shè)計，用時較短、費效比高等特點。

協(xié)同優(yōu)化方法不但在解決多個故障交織問題時效果明顯，而且在某一新型裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，相比較傳統(tǒng)的“建模-仿真-修正”設(shè)計方法，同樣具有非常重要的優(yōu)勢和使用價值。