一種簡易的單兵雷達結構受力分析

嚴榮軍李維天

（中國電子科技集團公司第二十研究所西安710068）

一種簡易的單兵雷達結構受力分析

嚴榮軍李維天

（中國電子科技集團公司第二十研究所西安710068）

結合某種單兵雷達的研制和實踐，論文介紹了一種簡易和快速架收的雷達結構，對該雷達結構在工作狀態下受到的風載和傾覆力矩進行了計算，并通過有限元分析法對各結構件的受力情況進行了分析仿真。結果表明此支撐結構在該特定工作條件下具有較好的穩定性和剛強度，滿足設計指標要求。

單兵雷達；結構；載荷計算；有限元仿真

Class NumberTN957

1 引言

在現代信息化戰爭中，戰場局勢瞬息萬變，時刻掌握戰場局部動態信息極為重要，為了滿足此需要，眾多單兵雷達應運而生。單兵雷達的特點是快速架設撤收、快速轉移、行軍方便等，因此要求結構簡單，重量輕，元器件少，各部分能夠快速拆分組合等［1～2］。而雷達在架設完成后靜止工作時只會受到重力載荷和風力載荷的影響，受力相對簡單［3-4］。因此設計時在滿足穩定工作的條件下盡可能地考慮使用要求和特點，盡可能簡化和實用。

本文主要介紹一種簡易的單兵雷達結構，通過對風力矩的計算驗證工作時結構穩定性，并通過有限元分析的方法驗證結構剛強度的可靠性，并結合研制和實踐過程提出改善措施。

2 雷達系統簡介

本雷達系統整體結構主要包括三部分（圖1），由天線、支架轉臺結構和顯控臺組成。支架轉臺結構由轉臺（圖2），支撐腿和下端支腿等組成，天線安裝在轉臺方位軸上實現方位旋轉，通過鎖緊裝置限位；支撐腿能夠收起與展開，方便攜帶和轉移；下端支腿實現位置調整和調平。雷達架設時，撐開支架轉臺結構，將天線固定在支架轉臺上并通過纜線與顯控臺連接，并通過三個支腿固定和調平，能夠實現快速組裝和位置調整，操作簡單，架設迅速。

3 載荷分析

此便攜式雷達正常工作時天線陣面與地面垂直并固定在支架轉臺上，支架與地面接觸，無輔助固定，因此為考慮抗風狀態下工作時結構穩定性和安全性，不會饒支腿傾翻，需要對作用在雷達系統上的各個力矩進行計算。按照設計要求能夠在8級抗風狀態下正常穩定工作，此時雷達系統主要受到垂直方向的重力載荷水平方向的風力載荷作用，其中重力載荷為靜載荷，風力載荷為動載荷，所受力矩主要為重力力矩和風力傾覆力矩。當重力力矩大于風力傾覆力矩時，雷達系統能夠穩定工作，反之當重力力矩小于風力傾覆力矩時，雷達天線及底座會繞兩支腿觸地點軸線傾覆，不能抗風工作［6～7］。

3.1 靜載荷

雷達系統所受靜載荷來源于各部件自重，由天線、轉臺、支撐腿、固定板和支腿等部分組成，重量分別為G1，G2，G3，G4，G5。假設天線和底座在風力作用下繞AB軸傾覆，如圖3雷達系統俯視圖所示，忽略部分結構重量，所受主要重力矩為

3.2 動載荷

雷達系統工作時所受動載荷來源于風負載，在實際情況下風負載是無規則變動的，為計算方便，取8級風力下的最大值，然后按靜載荷計算校核。雷達天線為長方體形狀，長寬高尺寸為：l=0.9m，b=0.3m，h=0.8m，天線所受風載荷與空氣密度ρ，風速v，等效受力面積S等有關，而支架等迎風面積較小所受風載荷忽略不計，因此風載主要集中在天線上，如圖3所示作用在天線的風載荷為風力F為

其中CF為風力系數，q和S為風力動壓頭和受力面積。在風載荷作用下，天線的受力可以分解為水平方向的風阻力FD和豎直方向的升力FL，風阻力FD和升力FL將產生傾覆力矩M2，導致天線連同支架傾覆［8～10］，如圖4所示。

其中，風阻力FD=CD·q·S；風升力FL=CL·q·S；風力矩M=CM·q·S·h；傾覆力矩M2=FD·H。

式中q為動壓頭（N/m2），計算公式為q=0.5ρV2，其中V為風速（m/s），ρ為空氣密度，在標準大氣壓，當溫度為15℃時，ρ=1.25kg/m3；S為雷達天線的特征面積（m2），如圖1，長方體天線兩垂直面的面積分別為：S1=l·h=0.9×0.8m2=0.72m2，S2=b·h=0.3×0.8 m2=0.24 m2；h為特征尺寸，天線高度（m），H為等效風力作用點天線中心處與地面的高度距離，H=1.7 m；CF(CD，CL)，CM為風力系數和風力矩系數，平板天線在不同俯仰角度下的風力系數和風力矩系數如圖5和圖6所示［2］。

該雷達系統工作時Φ=90°（即γ=0°），此時由圖5和圖6中曲線可得CD=1.1，CL=0，CM=0。故天線只受到風阻力FD和傾覆力矩M2作用。

由于自然風力不是穩定值而是無規律波動的，地形、陣風、高度等因素都會影響風力大小，用平均風力值帶入計算將給計算結果帶來較大誤差，因此要對相關參數進行修正，主要是動壓頭q計算式中風速V的取值，進行高度修正和陣風修正［3］，其中高度修正的公式為

式中Z為高度（m）；天線中心高度1.7 m，故Z=1.7 m；Vz為高度Zm處的平均風速；α為指數，由地形而定，此處取α=0.146（曠野平原）；V10為10m高度處風速，V10=19m/s（8級風）。

陣風修正是平均風速乘以陣風因數，天線處在8級大風下工作時（風速為V10=19m/s）時，查得陣風因數為1.44。由此可計算出實際修正風速V的值：

由以上可得動壓頭：

如圖1所示風載荷q作用下，天線兩個垂直面均受到風力作用，有效受力面積分別為S1cosθ和S2sinθ，天線受到的風阻力為

其中因此天線所受到的風力隨著天線表面與風力方向的角度θ不同而按照正弦規律變化，當θ+β=90°受到的最大風阻力為

最大傾覆力矩為

3.3 工作穩定性分析

由前面計算可得靜載荷重力矩為M1=453.5N·M，按照最大風力作用在最大受力面積下計算得出傾覆力矩M2=394.9N·M，通過對比可得出M1＞M2，故雷達系統在要求的條件下無需任何輔助固定措施下能夠正常穩定的工作。

4 有限元受力分析

風力作用下雷達天線、轉臺和支座等部分會產生變形和受力變化，關鍵部位會產生應力集中，如果結構件不滿足剛度強度要求將導致結構破壞。因此需要對雷達結構在最大風力作用下的受力進行分析。本文利用ANSYS WORKBENCH有限元軟件來完成計算各結構件的變形和受力情況，判斷其剛度強度是否滿足要求。與其他有限元分析軟件一樣，ANSYS WORKBENCH分析過程也包含建模、定義材料、劃分網格、加載、求解和后期處理等步驟［11～13］。

4.1 模型簡化

天線內部元器件眾多，結構復雜，如使用真實天線結構模型將導致極大的計算量，而天線受到的風載荷只作用在長方體天線的外表面，對內部元器件結構及位置沒有影響，因此用等體積等質量的長方體實體代替天線實際模型，簡化模型，減少計算量。同理調平支腿，固定板等零部件只起到調平和固定限位的作用，并非關鍵部位并且具有足夠的強度剛度，因此模型中將其省略，而將支腿底部設置為固定約束，可達到相同目的，其他部位按照真實尺寸構建模型。

4.2 前處理

將三維模型導入到ANSYS WORKBENCH中進行前處理，包括定義材料、劃分網格、加載。其中天線材料按照模型同尺寸同質量要求自定義材料，天線材料參數通過等效計算獲得，轉臺及內部部分元器件材料為鋼，支腿部分為鋁合金。網格劃分選擇軟件自動劃分，根據不同結構自動劃分為四面體和六面體網格。受到的載荷為垂直于地面的重力載荷G和垂直天線陣面幾何中心的水平方向的風力載荷FD，此外轉臺3個支腿下部設置為固定約束，然后選擇求解器求解。

4.3 計算結果

通過仿真計算，結果如圖8所示，在風載作用下每個結構件均有應力集中部位，較大應力應變部位主要位于外殼與方位軸的接觸面、止板和外殼接觸面及內軸上，最大應力應變位于止板拐角處。按照等效應力和等效應變規則計算時，最大應力為23.68MPa，最大應變為1.17×10-4m/m；按照最大應力和最大應變規則計算時，最大應力為40.46Mpa，遠小于其極限強度（表1）；最大應變為1.23×10-4m/ m，整個雷達系統變形較小。因此通過有限元分析可知轉臺及支座滿足強度剛度要求。

表1 相關材料參數

5 結語

本文對雷達系統在給定條件下的重力矩和傾覆力矩進行了計算，并利用有限元方法對受力和變形進行仿真，結果表明該支架和天線在8級風載下不會發生傾覆，各結構件滿足剛強度要求，能夠正常穩定工作。同時，由計算結果看出止板上的直角拐角處有較大應力集中現象，后續將優化結構，改善受力；此外，在靜載荷計算中可以看出天線及支架兩部分重量為50kg左右，對于單兵雷達而言，攜帶負擔較重，還需大量減重。后續工作中將優化天線及支架轉臺結構使得尺寸小型化，采用碳纖維等輕型材料使得重量輕型化，通過外加輔助固定措施增加工作穩定性而不是靠自重保證等措施進行改善，從而減輕單兵負擔，充分滿足單兵雷達的特點和要求。

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A Simple Structure Design of Individual Rader

YAN RongjunLI Weitian
（The Twentieth Institute of China Electronics Technology Group，Xi'an710068）

sCombined with the research on the individual rader，this paper introduced a structure which can be simply and eas?ily installed and disassembled，calculated its wind load and overturning moment under work condition，and used the finite element simulation method to simulate load of some parts.The results showed that the support structure had a good stability，stiffness and in?tensity under the special work condition，which satisfied the design parameters.

individual rader，structure，load，finite element simulation

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.038

2017年2月9日，

2017年3月28日

嚴榮軍，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：雷達結構與傳動。李維天，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：雷達電子結構。