某雷達(dá)薄壁升降塔抗屈曲優(yōu)化設(shè)計

牟淑志， 杜春江

（1.金陵科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，南京 211169；2.南京電子技術(shù)研究所，南京 210039）

0 引言

高架雷達(dá)利用舉升裝置將雷達(dá)天線架高，可以有效克服較強(qiáng)的地雜波，提升回波信號和增大作用距離，是解決地面情報雷達(dá)環(huán)境適應(yīng)性的有效方法。薄壁式升降桿作為雷達(dá)舉升裝置的一種主要形式，與其它結(jié)構(gòu)型式的舉升裝置相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、動作時間少、架設(shè)高度高、易于實現(xiàn)大行程的優(yōu)點。但由于受限于空間布局、舉升高度、傳動機(jī)構(gòu)布置及重量等，薄壁升降桿的抗屈曲能力難以有效提升。

本文基于有限元分析軟件ANSYS對某雷達(dá)升降桿系統(tǒng)的屈曲進(jìn)行了分析，針對底部塔架抗屈曲能力弱的問題，基于多學(xué)科優(yōu)化軟件Isight和有限元分析工具ANSYS建立了優(yōu)化模型，采用多島遺傳算法對其進(jìn)行了優(yōu)化，并對優(yōu)化前后塔架結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力和剛強(qiáng)度進(jìn)行了對比分析。

1 升降桿結(jié)構(gòu)抗屈曲能力分析

某升降桿塔架如圖1所示，采用6層矩形箱型框架結(jié)構(gòu)，從小到大、從內(nèi)到外層層嵌套。上面3層框架四邊主立面采用壁厚為3 mm的高強(qiáng)度鋼板拼焊而成，下面3節(jié)框架主立面采用壁厚為4 mm的高強(qiáng)度鋼板拼焊而成，框架側(cè)面上貼有高強(qiáng)度不銹鋼板一側(cè)為導(dǎo)向?qū)к墸糜透准捌鋬?nèi)置的鋼絲滑輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)升降桿的伸出與縮回動作。

基于有限元分析軟件ANSYS［1］，采用板殼單元建立了升降桿塔架的有限元模型，并對典型工況下升降桿結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力進(jìn)行了分析。從仿真分析結(jié)果來看，第六號塔架將首先發(fā)生屈曲，其屈曲因子為1.02（屈曲因子等于1表示處于臨界狀態(tài)，大于1為安全，小于1為失穩(wěn)），屈曲模態(tài)如圖2所示。

2 升降桿結(jié)構(gòu)抗屈曲優(yōu)化設(shè)計

圖1 某雷達(dá)升降塔結(jié)構(gòu)

圖2 升降塔結(jié)構(gòu)屈曲仿真分析結(jié)果

從以上分析中可以看出，第六號塔架位于升降塔系統(tǒng)的最底端，承受載荷最大，從靜力學(xué)分析結(jié)果來看，其總體應(yīng)力水平不高，強(qiáng)度不存在問題，但抗屈曲能力太差。為提高系統(tǒng)的抗屈曲能力，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，選取升降塔系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)——第六號塔架作為研究對象，在總體尺寸不發(fā)生變化的前提下，通過優(yōu)化確定其截面的最佳布置形式，提高其抗屈曲能力，從而提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

第六節(jié)塔架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋布置形式如圖3所示，從前面薄壁柱屈曲影響因素的分析中可知，減小薄板的寬度可以有效改善其局部屈曲問題，因而原始方案在薄板上焊接加強(qiáng)筋的方法是可行的，且焊接縱向加強(qiáng)筋在改善了局部屈曲的同時也增強(qiáng)了其整體的抗屈曲能力。為了在保持原塔架基本結(jié)構(gòu)不變的前提下有效提高抗屈曲能力，分別選取圖3所示中的T1、T2、T3和T4作為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)重量作為約束條件和屈曲因子作為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化加強(qiáng)筋的位置及尺寸來提高結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力。

圖3 1/4橫截面加強(qiáng)筋布置形式及優(yōu)化變量

為提高優(yōu)化求解效率，只提取第六節(jié)塔架結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化模型，為保證求解結(jié)果的有效性，其約束和載荷條件從整體靜力學(xué)分析模型中提取。提取的第六節(jié)塔架結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示，刪除了原整體模型中第一到第五節(jié)塔架，在第六節(jié)塔架的頂端施加截取自整體模型的集中載荷。為了更好地在優(yōu)化域中尋找全局最優(yōu)解，選取了多島遺傳算法［2］來進(jìn)行優(yōu)化計算。

圖4 第六節(jié)塔架的有限元模型

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋的尺寸分別為T1=79、T2=186、T3=84、T4=2，結(jié)構(gòu)的屈曲因子為 1.3。

圖5 優(yōu)化前第六節(jié)塔架結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度

圖6 優(yōu)化后第六節(jié)塔架的剛強(qiáng)度

分別對優(yōu)化前后的第六節(jié)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛強(qiáng)度分析，分別如圖5和圖6所示，除去模型簡化導(dǎo)致的約束加載位置出現(xiàn)應(yīng)力集中外，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力不大于250 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限700 MPa，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度基本保持一致，結(jié)構(gòu)重量增加了6.5%，但屈曲因子提高了26%，塔架結(jié)構(gòu)的抗屈曲能力得到了有效提高。

3 結(jié)論

本文對某雷達(dá)薄壁升降桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度和抗屈曲能力分析，針對底端桿件抗屈曲能力較弱的問題，在總體布局保持不變的前提下，采用優(yōu)化設(shè)計方法對桿件的橫截面形式進(jìn)行了優(yōu)化，確定了其截面的最佳布置形式，有效提高了其抗屈曲能力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性。相關(guān)結(jié)論及設(shè)計方法可為類似產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

［1］ 劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 牟淑志，杜春江，牟福元，等.基于多島遺傳算法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2009（10）：1316-1320.