低散射金屬支架的剛性優化設計

盧 慶

（貴州航天職業技術學院，遵義 563003）

低散射金屬支架是微波暗室內測量低散射目標時的支撐結構，是影響RCS（雷達散射截面）測量的重要因素之一。金屬支架頂端安裝有轉頂，可控制頂端的目標±360°連續旋轉，并根據采樣角度間隔發出同步采樣脈沖觸發數據采集設備。作為支撐結構的金屬支架屬于低RCS雷達目標，其產生的非鏡面散射的影響非常重要。當入射波照射到金屬支架上時，尖頂繞射、鏡面反射和邊緣產生的幾何繞射將對RCS構成主要貢獻，這就要求金屬支架具有較高的剛性，而金屬支架的剖面形狀為卵形或棗核形，其前邊緣向來波方向是傾斜的，因此，金屬支架的剛性計算比較復雜，本文采用有限元分析的方法對其進行了優化設計。

1 設計條件

1.1 外形輪廓

金屬支架外形如圖1所示，其垂直凈高度4m，支架頂端的最大水平尺寸280mm，其外形輪廓垂直于支架后緣邊線的截面滿足如下方程：

式中，H為沿z方向的高度，H=330～5400mm；t為給定高度時的可變參數，t=0.64～2.61。

1.2 技術指標

如圖1所示，金屬支架應滿足以下指標：支架的前劈刃頂點組成的直線與水平面成65°；金屬支架整體由一段組成，內部留有走線孔，采用鑄鋁材料，底部基座連接，頂部安裝轉頂，承載50kg，各方向變形最大不超過0.2mm；整體自重不超過400kg，在支架變形允許的范圍內具有較小重量值。

2 建三維模型

2.1 方程分析

由式（1）、式（2）可知，當θ一定時，x、y隨H成線性關系，并且當，即H=-960.233時，x=0，y=0，即曲線方程匯交于一點，因此，可在SolidWorks中通過“放樣凸臺/基體”建三維模型。

2.2 建立模型

在Solidworks中建立模型的過程如下：新建零件，在“上視基準面”繪制“草圖1”，單擊草圖工具欄“方程式驅動的曲線”來繪制新曲線；選擇方程式類型“參數性”，在“方程式”xt和yt中分別輸入“0.314*(1+0.1763*(5400+30)/164)*(EXP(2.5*t)*(0.807*COS(t)-0.59*SIN(t))-1.46885)” 和“0.331*(1+0.1763*(5400+30)/164)*(EXP(2.5*t)*(0.59*COS(t)+0.807*SIN(t))-4.85085)”，在“參數”t1和t2中分別輸入“0.64”和“2.51”，繪出的曲線1如圖2所示；畫一條通過原點的水平構造線作為鏡像線，將曲線1通過該線鏡像，繪出曲線2，修剪曲線1和曲線2形成一個閉環，如圖2所示。

圖1 金屬支架

圖2 草圖1

作一平行于“上視基準面”的“基準面1”，“偏移距離”為164/0.1763+30+5400（≈6360.233）；在“基準面1”繪制“草圖2”，定義一個“點”與圖2所示的B點（曲線1和曲線2的會交點）重合；單擊“放樣凸臺/基體”，選擇要連接的輪廓“草圖1”和“草圖2”，生成“放樣1”；在“前視基準面”繪制“草圖3”，如圖3所示，然后單擊“拉伸切除”，復選“反側切除”，生成圖1所示金屬支架外形；作出轉頂和基座的接口。

圖3 草圖3

3 模型分析與優化

3.1 邊界條件

為便于計算分析，對金屬支架模型的邊界條件進行如下簡化：模型的底面為剛性固定；模型的頂面承載500N；模型的重力方向垂直于底面。

3.2 實心模型

為分析自重和載荷對金屬支架剛性的影響，在不考慮金屬支架重量要求和內部結構的條件下，對其實心模型進行僅受自重、僅受載荷，以及受自重和載荷三種情況的有限元分析，結果如表1所示。

表1 實心模型的位移

由表1可知，變形主要發生在水平方向和重力方向，垂直紙面位移可以忽略，并且模型自重對剛性的影響較大，約占綜合作用的70%。

3.3 空心模型

通過以上分析可知，減小模型重量可增加剛性，并且實心模型重約1179kg，而金屬支架設計要求自重不大于400kg，約為實心模型的33.9%。因模型外表面影響電磁波的散射，外表面不允許改變，因此只能將模型做成空心結構，同時也便于導線從內部通過。

在SolidWorks中，“設計洞察”圖解會顯示模型中能夠有效承擔載荷的區域，可用于分析最大的實用模型并移除材料以優化載荷量，如圖4所示。在編輯幾何體特征時，可將設計洞察圖解疊加到模型上進行優化設計，具體實現過程如下。

右鍵單擊靜態算例的“結果”文件夾，然后選擇“定義設計洞察圖解”；在“最大載”和“所有”兩個設定之間調整“載荷級別”滑桿，經動態分析模型主要受力的區域可知，應力分布主要在模型兩側，心部不受力體積最大，頂部和底部次之；右鍵點擊“結果”文件夾下的“設計洞察1（-設計洞察-）”，在“設定”中復選“將模型疊加于設計洞察圖解上”；圖4所示為“載荷級別”滑桿至28.99%時的設計洞察圖解，在保證轉頂和基座安裝強度，并符合制造工藝的條件下，應盡可能去除材料；在模型頂部和底部分別繪制兩個橢圓，“放樣切割”去除內部材料，如圖4中虛線所示。

圖4 設計洞察圖解

3.4 結構優化

通過對設計洞察圖解的初步分析，模型頂部尺寸受安裝轉頂、模型壁厚等結構條件的限制，變化較小，并且對剛性和自重影響不大，而模型底部尺寸影響較大，如圖1所示尺寸a、b和s，具體優化過程如下：右鍵單擊左下角的標簽“算例1”，選擇“生成新設計算例”；選擇“變量視圖”標簽，在“變量”中添加尺寸a，設置“范圍”為850～950mm，再分別設置“約束”和“目標”，如圖5所示，設置完成后點擊“運行”優化，“結果視圖”如圖6所示。圖中數據僅是一小部分，如要獲得更多的數據，可設置范圍的“步長”。

圖5 尺寸a設計算例

圖6 尺寸a結果視圖

在“變量”中分別添加b和s，范圍分別為245～260mm和500～600mm，其余設置同尺寸a，“結果視圖”分別如圖7、圖8所示。

圖7 尺寸b結果視圖

圖8 尺寸s結果視圖

分析圖6、圖7、圖8所示的結果可知，模型尺寸變化對重量和剛度的影響如表2所示。

表2 模型尺寸變化對重量和剛性的影響

3.5 結果分析

根據優化結果設計的模型質量約為397kg，對其進行僅受自重、僅受載荷，以及受自重和載荷三種情況的有限元分析，結果如表3所示。

表3 優化后模型的位移

由表3可知，優化后模型自重對剛性的影響僅占43%，雖然在僅受載荷作用時優化后模型比實心模型的合位移增加72.9%，而在僅受自重作用時合位移只減少40%，但在優化后重量減少66.3%的情況下，綜合作用時優化后的模型合位移比原模型減少4.4%，達到了優化的目的。

4 結論

本文介紹了一種典型的結構優化設計方法，通過相關介紹，除可以了解到如何在SolidWorks中利用參數方程建模外，人們還可以對結構設計優化的全過程有進一步的認識，為更好地完成產品設計提供新的解決思路。

[1]胡仁喜.SolidWorks2007中文版標準教程[M].北京：北京科技出版社，2007.

[2]唐海正，徐長龍，徐得名.一種新型目標支架的設計和理論分析[J].上海大學學報，2000，6（1）：13-16.