雷達天線抗沖擊仿真分析與輕量化設計

周　泓,莊文許,宋駿琛

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

雷達天線抗沖擊仿真分析與輕量化設計

周泓,莊文許,宋駿琛

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：針對某雷達系統天線輕量化設計要求,進行了惡劣環境下的抗沖擊仿真分析和結構輕量化設計。利用動力學分析方法,在有限元軟件中建立了天線的仿真模型,將加速度沖擊譜時域曲線直接作用于天線的安裝件。計算得到天線在該沖擊譜作用下的沖擊響應,仿真結果顯示可減小天線結構件的厚度尺寸,并對應力較小的部位進行減重設計。對尺寸和結構優化后的天線再次進行仿真分析。結果表明:優化后的天線質量減輕的30%,同時結構剛強度滿足工作環境抗沖擊要求。

關鍵詞:抗沖擊；雷達系統；天線；輕量化

0引言

相對艦艇有一定距離的水下非接觸爆炸作用將引起艦艇突發的瞬態相對運動,該運動對艦艇而言就是沖擊載荷。沖擊載荷對艦總體、設備和船員的作用是較為惡劣的極限工作環境,通常比艦船搖擺、振動的設計更加嚴苛,需要在艦船研制時予以全面地考慮并對設備進行良好地防護[1]。受裝艦要素限制,對某雷達提出了較高的輕量化設計要求,然而質量的降低將帶來剛強度的降低,需對其各組成單元的尺寸和結構進行優化設計以滿足裝艦要求。

在抗沖擊研究中,時域模擬法考慮各種非線性因素的影響,可以較真實地反映系統的動力學特征,應用廣泛。汪玉等對一類船舶設備的限位器進行抗沖擊剛度計算,并運用帶間隙的彈簧單元逼近限位器的沖擊剛度,實現了非線性系統沖擊響應模擬[2]。林道福等在總體坐標系下建立了浮筏隔振系統的運動方程,并采用直接積分法計算了在基礎沖擊激勵下的動力響應[3]。

天線是艦載雷達系統的重要件,一般由線陣和骨架組成,在沖擊載荷作用下,受到自身質量產生的慣性力,產生沖擊響應和變形。本文采用時域模擬法[4-5]對某艦載雷達系統天線的線陣進行抗沖擊仿真計算和結構輕量化設計。首先在有限元軟件中建立天線的完全仿真模型,將沖擊載荷時域沖擊譜作用于安裝骨架,獲得線陣的沖擊響應和應力,然后依據仿真結果減小結構件的厚度尺寸,并對應力較小的位置進行減重設計,最后對尺寸和結構優化后的線陣再次進行抗沖擊仿真,驗證其剛強度。結果表明,通過減小厚度尺寸和局部結構減重設計,線陣的質量降低了30%,剛強度滿足抗沖擊環境要求,對天線整體輕量化設計起到了良好的作用。

1問題描述

一類天線由線陣和骨架組成。線陣為長方體部件,其橫截面如圖1所示。線陣通過連接件安裝在骨架上形成陣列天線。某艦載雷達天線結構組成如圖1所示。同類產品通常設計D≥3.5 mm,d≥2 mm,但質量指標不能滿足新產品的裝艦要求,因此需從尺寸和結構方面進行輕量化設計。

本文對天線在極限沖擊環境下的動力學響應進行分析,根據初步獲得的剛強度分析結果進行輕量化設計和仿真驗證。

圖1　線陣橫截面

圖2　天線組成圖

2問題求解與輕量化設計

2.1有限元模型

天線直接安裝在艦船的甲板上。采用動態分析的直接解法,沖擊載荷可等價于一種雙三角形時域曲線,通過骨架作用在線陣上。

按照天線實際結構進行建模,將螺紋孔、密封槽和倒角等細小的特征忽略,采用實體網格六面體單元。模型如圖3所示,分別建立線陣、連接件和骨架的零件模型并進行裝配,將各零件接觸面之間建立綁定約束。材料的彈性模量E=72000 MPa,泊松比u=0.3,密度ρ=2.7×10-9t/mm3。

圖3　天線有限元模型

2.2邊界條件和載荷

在本分析中,邊界條件和載荷是一種位移運動規律[5],作用在骨架的底面,見圖4中標“沖擊載荷約束面”的4個面。

仿真結果包括沿垂向、橫向和縱向3個方向施加沖擊載荷的應力、應變。依據文獻[6-7],安裝區域的設計沖擊譜如表1所示。該加速度可以用雙三角形時域曲線表示,如圖5所示。計算公式如式(1)所示。

(1)

式中,A0、V0和D0為該系統設計沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。計算得3個方向時域沖擊曲線的參數如表2所示。

表1　安裝區域隔離系統設計沖擊譜

圖5　雙三角形時域曲線

表2　安裝區域減振系統設計沖擊時域曲線參數

本文采用顯式動力學方法,將該加速度時域曲線直接作用于沖擊載荷約束面上,計算獲得3個方向的動力學響應結果。

2.3仿真結果

初步設計D=4 mm,d=2 mm,計算獲得天線分別在3個方向沖擊載荷作用下的應力、位移分布時變過程,應力最大產生在垂向載荷作用下。該時刻的應力、位移仿真結果云圖如圖6～7所示。圖6為應力云圖,最大應力約為69.1 MPa,發生在線陣與連接件的連接處。圖7為位移云圖,模型上的最大位移為8.18 mm,最小位移為0.69 mm,相對變形量為7.49 mm。

天線所選用材料抗拉強度為σb=231 MPa。根據抗沖擊試驗大綱,沖擊作用下應力應小于所選材料抗拉強度的90%,即208 MPa。因此,可對結構進行進一步的輕量化設計,如減小壁厚、局部減重等。

圖6　初步設計應力最大時刻的應力分布云圖

圖7　初步設計應力最大時刻的位移分布云圖

2.4結構優化設計與仿真驗證

綜合考慮輕量化設計要求和工藝性,優化設計D=2.5 mm,d=1.5 mm,并對線陣上應力較小的部位減小局部材料,設計減重孔、槽等。對優化了厚度尺寸和局部結構的天線進行相同的抗沖擊仿真分析,結果如圖8～9所示。圖8為應力云圖,最大應力約為71.7 MPa,發生在線陣與連接件的連接處。圖9為位移云圖,模型上的最大位移為60.88 mm,最小位移為54.05 mm,相對變形量為6.83 mm。

綜上分析結果表明:結構優化設計后的天線滿足應力和相對變形量的要求,但質量降低約30%,對整機輕量化設計具有較好的意義。

圖8　優化設計應力最大時刻的應力分布云圖

圖9　優化設計應力最大時刻的位移分布云圖

3結束語

針對某雷達系統輕量化設計和抗沖擊性能設計要求,對天線進行了抗沖擊仿真分析并根據仿真結果優化了天線的結構設計。

(1) 建立了天線抗沖擊仿真的有限元模型,分析了天線在垂向、橫向和縱向沖擊載荷作用下的沖擊響應和應力分布。

(2) 根據仿真結果,對天線的厚度尺寸和局部結構進行減重設計,質量減輕約30%,優化后的結構在沖擊載荷作用下的最大應力約為71.7 MPa。該時刻天線的相對變形量約為6.83 mm,滿足使用需求。這為后續整機輕量化設計提供了重要的參考依據。

參考文獻:

[1]汪玉, 華宏星.艦船現代沖擊理論及應用[M].北京: 科學出版社, 2005:8-10.

[2]汪玉,胡剛義,華宏星,等.帶限位器的船舶設備非線性沖擊響應分析[J].中國造船,2003, 44(2): 39-44.

[3]林道福, 與永豐, 華宏星.帶限位器的浮筏隔振系統的沖擊響應分析[J].噪聲與振動控制,2004, 46(1): 36-43.

[4]張影.船用齒輪箱抗沖擊計算方法分析[D].哈爾濱工程大學,2010.3.

[5]莊茁,由小川,廖劍暉,等．基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京:清華大學出版社,2009:190-191．

[6]GJB150.18-86軍用設備環境試驗方法——沖擊試驗[S].

[7]姜濤, 王偉力, 黃雪峰, 等.艦艇抗沖擊設計中正負三角波沖擊譜分析與應用[J].海軍航空工程學院學報, 2010, 25(2): 145-148.

Anti-shock simulation and analysis and lightweight design of a radar antenna

ZHOU Hong, ZHUANG Wen-xu, SONG Jun-chen

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In view of the lightweight requirement of a radar antenna, the anti-shock simulation and analysis and structural lightweight design are done under severe environments. The simulation model of the antenna is built in the FEM software with the dynamics analysis methods, and the accelerated shock spectrum time-domain curves are directly applied on the mounting parts of the antenna. The shock response of the antenna under the shock spectrum is obtained through the calculation. The simulation results show that the thickness of the structural parts can be reduced and some parts with less stress can also be lightened. The optimized antenna is simulated and analyzed again. The results indicate that the antenna quality is reduced by about 30%, and at the same time the rigidity and strength of the structure satisfy the anti-shock requirement of the working environment.

Keywords:anti-shock; radar system; antenna; lightweight

收稿日期:2016-03-21；修回日期:2016-03-24

作者簡介:周泓(1970-),女,工程師,研究方向:機電一體化設計；莊文許(1985-),男,高級工程師,博士,研究方向:機電系統設計；宋駿琛(1990-),男,助理工程師,碩士,研究方向:力學分析。

中圖分類號:TN957.8

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0053-03