基于ANSYS Workbench的雷達天線折疊升降機構模態分析

何軍

（南京恩瑞特實業有限公司，南京210013）

0 引言

某車載雷達系統的核心部件之一是其雷達天線折疊升降機構。工作時，通過折疊升降系統把雷達天線從艙內升至艙外工作位置，置于雷達車體平臺之上；不工作時將雷達天線下降到艙內固定。該系統既可以增強雷達的隱蔽性，又可以提高雷達的機動性［1］。

一般情況下，雷達天線結構將受到風荷、載體振動等隨機載荷作用或者受到伺服驅動系統的激勵，雷達天線系統將會發生振動，天線旋轉時相當于一個重載的物體在平臺上旋轉，所以天線系統的運轉穩定性對車載雷達工作的穩定性和機動性有很大影響，天線系統的固有頻率等于外界的干擾力時會發生諧振，系統的性能將會受到影響，不能正常工作。為了保證天線系統能夠順利運行，必須對天線系統進行模態分析［2］。

1 模態分析理論

傳統的機構強度的校核是通過大量的強度試驗及試驗數據分析來完成的，具有試驗周期較長、試驗數據分析量大、花費高、有破壞性等缺點，難以滿足現代雷達工業的高速發展和雷達技術的迅速提高要求。

模態分析技術是現代機械產品結構動態設計和分析的基礎，也是近年來迅速發展起來的系統結構動態特性分析的強有力工具。而ANSYS Worksbench是用ANSYS解決實際問題的新一代軟件產品，軟件界面友好、使用方便，為解決工程實際問題提供了強大的功能和途徑，同時也保證了很好的CAE結果，是解決試驗難題較好的辦法，目前使用比較廣泛。模態分析用于確定設計結構或機器部件的振動特征，即結構的固有頻率和振動，它們是承受動態載荷結構設計的重要參數［3］。

對于一個N自由度線性定常系統，其基本振動方程可寫為對于模態分析,通常［C］｛χ˙（t）｝和｛f（t）｝均為零。因此模態分析的公式為

式中：［M］為彈性系統的質量；［C］為結構的阻尼；［K］為剛度矩陣；｛f（t）｝為動激勵載荷向量；｛¨（t）｝為加速度向量；｛（t）｝為速度向量；｛χ（t）｝為位移向量。

2 網格劃分及模態分析

由于ANSYS Worksbench軟件本身的建模功能還不夠強大，故先利用Pro/E對雷達天線折疊機構進行三維建模，再將三維模型另存為IGES中性文件，通過ANSYS Worksbench數據導入功能將數據導入，然后對模型進行網格劃分、設置邊界條件、加載求解等過程。此種方法非常適用于一些復雜的三維實體模型，它對縮短工程設計人員重復建模的時間，對加快產品的設計進度縮短研發周期等具有非常重要的現實意義，深受用戶的歡迎。

網格劃分既是有限元前處理的主要過程，又是整個有限元分析的關鍵工作，網格劃分質量的優劣都將對計算時間和計算結果產生很大的影響。它不僅繁瑣、費時、而且在許多地方依賴于劃分者的經驗和技巧，有時候需要進行人工干預和必要的修補。而ANSYS Worksbench的網格劃分是比較智能化的，本文采用的是尺寸控制方法和分網方法控制，尺寸控制方法參數通過Element Sizing選項設置，分網方法控制通過Hex Dominant或者Auto Sweep if Dominant方式。

單元類型和單元大小影響有限元的計算效率，在不影響計算結構準確度的條件下，采用ANSYS Worksbench自動劃分網格，在ANSYS Worksbench中一般不需要選擇單元類型，劃分方法是Hex Dominant，運用四面體和六面體結合的方法劃分，得到54 698個節點，24 611單元。一般這樣得到的實體表面是六面體網格，內部為四面體或是五面體，可以獲得滿意的計算結果。

天線折疊升降機構使用的材料屬性見表1。

邊界條件對于模態分析來說也是很重要的，因為它影響著部件的振型和固有頻率，因此需要仔細考慮模型的約束狀況，根據雷達的實際工作情況，將約束定義在雷達天線折疊升降機構發動機支架與艙倉及艙頂的三個銷釘孔處，約束類型選擇Fixed Surport。由于雷達天線折疊機構質量較大，固有頻率值較小，前10階的固有頻率如圖1所示。

表1 材料特性

雷達天線折疊機構前10階的振型如圖2所示，前3階的相對位移最大處出現在雷達天線折疊機構的天線座部位，后7階的最大位移處出現在支撐桿上。由圖2分析可知，前支撐桿為整個天線折疊升降機構的改進重點，改進的方法為改變該支撐桿的橫截面積、調整桿的壁厚或更換材料等。

圖1 前10階模態分布

圖2 模態變形圖

為了避免整個系統結構的諧振發生，最有效的方法就是提高雷達天線折疊機構的剛度。

3 結論

本文通過使用ANSYS Worksbench對雷達天線折疊機構進行了模態分析，為雷達天線折疊機構的結構分析提供了重要的模態參數，為改進和提高雷達天線折疊機構的設計既提供了理論依據又提供了直觀的視覺感受，同時又為該結構進一步的動力學分析及結構優化、為實際試驗提供了參考和依據。

［1］ 吳風高.天線座結構設計［M］.西安：西北電訊工程學院出版社，1986：183.

［2］ 郭海鷹.ANSYS在天線系統模態分析中的應用［J］.無線電通信技術，1999（2）：44-46.

［3］ 李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化［M］.北京：清華大學出版社，2008.