黃 克

(江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061)

超視距雷達具有探測距離遠,覆蓋范圍大,單位面積所需成本低,抗隱身能力強等特點,在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。超視距雷達探測是依靠電離層對短波信號的反射來實現(xiàn)的,因此,作為超視距雷達物理架構(gòu)組成部分的天線反射體顯得尤為重要。

天線反射體具有單個天線增益高，頻帶寬的特點,廣泛應(yīng)用于移動通信基站、衛(wèi)星通信、車載站、岸基、微波通信中繼等場合。作為超視距雷達工作的關(guān)鍵部分,天線反射體主要作用是接收和發(fā)射電磁波信號,其口徑規(guī)格取決于電性能設(shè)計指標(biāo)。當(dāng)反射體口徑非常大,無法滿足公路運輸要求時,則需要將反射體分塊處理,以滿足公路運輸要求。反射體分塊方式與天線剛強度性能息息相關(guān),也影響著雷達系統(tǒng)電性能指標(biāo)。目前研究主要集中在正饋反射體的折疊展收方面,而針對偏饋反射體分塊還未見相關(guān)資料。本文針對某超視距雷達天線反射體原理樣機的設(shè)計要求,提出了一種反射體分塊方案,并進行反射體結(jié)構(gòu)設(shè)計,最后利用有限元軟件MSC.Nastran對其進行剛強度校核。

1 天線反射體總體要求

反射體型面為實體偏置切割拋物面,焦距為1 730 mm,偏置高度為250 mm,口徑為3 000 mm(寬)×2 000 mm(高)。反射體型面如圖1所示,其中坐標(biāo)系原點為反射體拋物線的頂點。根據(jù)總體設(shè)計要求,天線反射體重量不超過330 kg。

反射體型面投影形狀中間為矩形,上下均為半個橢圓。上下橢圓短軸均為700 mm。橢圓曲線投影方程為:

在圖1建立的坐標(biāo)系下:反射體整體成型后型面精度≤0.5 mm(法向均方根);誤差值的絕對值分布應(yīng)滿足(采點數(shù)應(yīng)不小于1 500):0～0.5 mm的點不少于60%;0～0.8 mm的點不少于85%;≥1.2 mm的點不超過3%。

圖1 反射體型面精度測量基準(zhǔn)

2 設(shè)計方案

2.1 總體布局設(shè)計及組成

3米天線反射體由反射面、背架等組成?？傮w布局見圖2。

圖2 3米天線反射體總體布局

2.2 3米天線反射體設(shè)計

3米天線屬于中小口徑天線,反射體型面設(shè)計方案采用切割拋物面,為了保證每個分塊曲面拼接時連續(xù)且光滑,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,設(shè)計中塊寬1 300 mm,邊塊寬850 mm。反射體采用鋁面板、鋼背架結(jié)構(gòu),面板采用2 mm厚度的5A06-O拉伸成型。面板分塊示意如圖3所示,天線反射體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 天線反射體分塊示意圖

圖4 天線反射體結(jié)構(gòu)示意圖

其中，拋物面反射體分為反射面及背架,反射面由胎膜蒙皮拉伸面板與角鋁鉚接而成,背架由薄鋼板拼焊而成的薄殼梁拼接而成;反射面通過角件與背架鉚接相連。在背架上方布置有反射體吊裝點,中部位置布置有水平測試平面,下方布置有安裝面和安裝接口。

2.2.1 反射面設(shè)計

3米天線反射體為偏饋反射體,為了保證天線結(jié)構(gòu)的運輸性能，需要對反射面進行適當(dāng)尺寸地分塊,經(jīng)過合理排布,將反射面在3米寬度方向上分為3塊。其中，中塊設(shè)計寬度為1 300 mm,邊塊設(shè)計寬度為850 mm,高度方向尺寸自然生成。

反射面的主要設(shè)計特點:胎膜蒙皮拉伸成型的面板成型后均經(jīng)過了退火處理,去除內(nèi)部殘余應(yīng)力,反射體裝配后無變形回彈。

1)布置了間距合適的角鋁作為型面成型筋條,以保證最終獲得的反射面型面精度達到較高要求;

2)較密的成型筋條有利于布置更多的連接支板以實現(xiàn)背架對反射面更好的支撐,從而保證反射面在強風(fēng)的作用下具備更好的型面精度。

單塊反射面由胎膜蒙皮拉伸成型面板與等邊鋁型材鉚接而成,其中蒙皮拉伸成型面板厚2.5 mm,成型后經(jīng)過退火處理去除了內(nèi)部殘余應(yīng)力;在單塊反射面的邊緣選用∠40×40×3的等邊角鋁以提升其整體輪廓剛性,在反射面內(nèi)部統(tǒng)一選用∠30×30×3的等邊角鋁作為支撐筋條,這樣在滿足反射面內(nèi)部剛性及型面精度的前提下,盡可能節(jié)省了空間,使背架能擁有更大的空間用于提升整個反射體的剛性。反射體左、右邊塊各約12 kg,中塊約26 kg,3塊反射面總重約50 kg。

2.2.2 背架設(shè)計

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)方案,3米天線反射體在長寬高方向上都有嚴格的尺寸限制,因此背架的設(shè)計只能在有限的空間內(nèi)進行,而薄殼梁結(jié)構(gòu)是在這樣的設(shè)計條件下的首選結(jié)構(gòu)形式。因為薄殼梁結(jié)構(gòu)能夠在空間尺寸極為有限的情況下達到盡可能高的結(jié)構(gòu)剛強度,同時重量控制也較為合理。

背架的主要設(shè)計特點如下:

1)充分利用了空間尺寸,并且通過合理地選擇薄板壁厚及局部采取厚板加強的措施,在實現(xiàn)較好的結(jié)構(gòu)剛強度的同時，重量控制得較為合理;

2)結(jié)構(gòu)簡單緊湊,背架全部由薄鋼板拼焊而成,重要接口尺寸通過機加工保證,易于加工制造。

經(jīng)過反復(fù)論證,并經(jīng)過有限元仿真分析優(yōu)化后,天線背架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 反射體背架結(jié)構(gòu)示意圖

背架主梁采用3.5 mm厚的Q345A鋼板槽型件組焊成形,副梁采用3.5 mm厚的鋼板槽型件組焊成形,背架總重約250 kg。該背架結(jié)構(gòu)在滿足所有功能性要求及保證足夠剛強度的前提下,實現(xiàn)了較好的重量控制。

3 分析計算

3.1 重量估算

天線反射體重量估算為312 kg,滿足總體設(shè)計要求,重量估算表如表1所示。

表1 天線重量估算

3.2 理論計算

根據(jù)反射體指標(biāo)要求,需要計算以下工況的天線反射體的應(yīng)力應(yīng)變:1)反射體的自重變形;2)重力及20 m/s風(fēng)速下變形及應(yīng)力;3)重力及35 m/s風(fēng)速下變形及應(yīng)力。根據(jù)風(fēng)載荷計算式:

式中，為天線所受總風(fēng)力大小,為阻力系數(shù),為空氣密度,為風(fēng)速,為發(fā)射面特征面積,即投影面積。

3.3 天線反射體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仿真計算

3.3.1 建立有限元模型

為系統(tǒng)地研究天線結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能,用MSC.Nastran軟件對天線反射體系統(tǒng)進行仿真計算。天線反射體結(jié)構(gòu)主要由反射面板、鋼板折彎件等部分組成。根據(jù)天線工作狀態(tài)各工況均約束轉(zhuǎn)臺6個自由度,風(fēng)載荷均勻加在天線反射體上。根據(jù)以上分析,在對三維模型進行適當(dāng)?shù)暮喕吞幚砗?建立了天線結(jié)構(gòu)的有限元模型,進行了網(wǎng)格劃分,如圖6所示。

圖6 天線反射體有限元模型

3.3.2 天線反射體結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

根據(jù)模型賦予單元相應(yīng)屬性,并根據(jù)工況對天線反射體結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的邊界條件(包括位移約束、風(fēng)載、重力載荷等),然后進行計算,得到其在不同工況下的計算結(jié)果。

a) 自重載荷下,天線反射體最大應(yīng)變?nèi)鐖D7、圖8所示。

圖7 天線反射體自重載荷的位移云圖

圖8 天線反射體自重載荷的偏差云圖

從圖7和圖8可以看到,天線反射體在自重作用下的最大應(yīng)變發(fā)生在天線反射體頂部區(qū)域,其值為0.55 mm,計算反射面型面RMS值,結(jié)果為0.34 mm。

b) 重力及20 m/s風(fēng)作用下,天線反射體的最大應(yīng)變(正面迎風(fēng))如圖9、圖10所示。

從圖9和圖10中可以看到,天線反射體在自重及20 m/s風(fēng)載荷作用下的最大應(yīng)變發(fā)生在天線反射體頂部區(qū)域,其值為0.41 mm,計算反射面型面RMS值為0.23 mm。

c) 重力及20 m/s風(fēng)作用下,天線反射體最大應(yīng)變(背面迎風(fēng))如圖11、圖12所示。

圖9 20 m/s風(fēng)載荷下位移云圖(正面迎風(fēng))

圖10 20 m/s風(fēng)載荷下偏差云圖(正面迎風(fēng))

圖11 20 m/s風(fēng)載荷下位移云圖(背面迎風(fēng))

從圖11和圖12中可以看到,天線反射體在自重及20 m/s風(fēng)載荷作用下的最大應(yīng)變發(fā)生在天線頂部區(qū)域,其值為1.46 mm,計算反射面型面RMS值為0.48 mm。

d) 重力及35 m/s風(fēng)作用下,天線反射體最大應(yīng)力(正面迎風(fēng))如圖13所示。

圖12 20 m/s風(fēng)載荷下偏差云圖(背面迎風(fēng))

圖13 35 m/s風(fēng)載荷下應(yīng)力云圖(正面迎風(fēng))

從圖13中可以看到,天線反射體在自重及35 m/s風(fēng)載荷作用下的最大范式應(yīng)力為32.18 Mpa,最大值發(fā)生在天線底部支撐位置。

e) 重力及35 m/s風(fēng)作用下,天線反射體最大應(yīng)力(背面迎風(fēng))如圖14所示。

圖14 35 m/s風(fēng)載荷下應(yīng)力云圖(背面迎風(fēng))

從圖14中可以看到,天線反射體在自重及35 m/s風(fēng)載荷作用下的最大范式應(yīng)力為98.75 MPa,最大值發(fā)生在天線背部支撐位置。

3.3.3 仿真結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果可知,該反射面的最大形變和最大應(yīng)力均發(fā)生在35 m/s風(fēng)載荷工況下,最大應(yīng)力為98.75 MPa,小于其材料許用應(yīng)力;最大變形僅為1.46 mm,可認為該天線反射體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行,反射體結(jié)構(gòu)剛強度可滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文對某超視距雷達天線反射體原理樣機提出了一種分塊方案,進行了反射體結(jié)構(gòu)設(shè)計,利用有限元分析軟件對其結(jié)構(gòu)進行了剛強度校核。仿真分析表明,該反射體設(shè)計合理,能夠滿足總體各項指標(biāo)要求。本文研究工作為后續(xù)天線反射體剛強度影響因素耦合分析奠定基礎(chǔ)。