某球載雷達電子設備的力學仿真分析

摘要：球載雷達電子設備是球載雷達的重要組成部分，其力學工作環境嚴苛，對結構有較高的可靠性要求。現基于有限元方法，通過模態分析得到固有頻率和振型;進行瞬態動力學和隨機振動仿真分析，得到相應的變形和應力響應結果，驗證了該電子設備結構設計滿足力學環境的設計要求。

關鍵詞：球載雷達電子設備;力學分析;瞬態動力學;隨機振動

0? ? 引言

隨著材料科學和工藝技術的發展進步，浮空器應用越來越廣泛，浮空器可搭載不同的電子設備，在預警探測、電子對抗和反恐緝私等方面都得到了廣泛的應用[1]。球載雷達電子設備作為球載雷達的重要組成部分，在制造、運輸和雷達架設等過程中，其結構需適應復雜嚴苛的力學環境，如振動、沖擊等。嚴苛的力學環境可能會導致電子設備內的元器件受損或失效，造成雷達無法正常工作。因此，在產品研制階段，必須準確評估電子設備在各種力學環境作用下的結構剛強度響應[2]。

本文以某球載雷達電子設備結構的環境試驗設計要求為出發點，分析其試驗指標，采用ANSYS Workbench建立力學仿真模型，設置載荷和邊界條件，對其進行模態分析、瞬態動力學分析、隨機振動分析，對各種工況下的結構剛度、強度進行了分析，得到對應的變形和應力數據，驗證該電子設備可以滿足剛強度、基頻等要求。

1? ? 結構有限元模型建立與力學環境條件

1.1? ? 結構設計與有限元模型建立

該球載電子設備結構主要由殼體、底板、蓋板及內部電子元器件等組成，其結構三維模型如圖1所示，電子設備的底部兩側分別設計3個吊耳，通過吊耳孔裝配在雷達天線的基板上。

綜合考慮仿真效率和準確性，對模型進行一定程度的簡化處理，去除殼體結構中尺寸較小的孔、倒角、圓角等[3]，對簡化后的三維模型進行網格劃分，得到有限元模型。該電子設備模塊結構所采用的材料為鋁合金5A06，其彈性模量為70 GPa，泊松比為0.3，密度為2 640 kg/m3，屈服強度為155 MPa[4]。

1.2? ? 力學環境條件

根據設計要求，該球載雷達電子設備結構需承受沖擊、隨機振動等力學環境載荷的作用而不會失效，其力學試驗條件如表1、表2所示。

2? ? 模態分析

模態分析是結構動力學分析的基礎，因此，在瞬態動力學和隨機振動仿真分析前，應先進行模態分析。仿真計算后，可得到結構的固有頻率和振型。結構的低階模態對振動響應的影響較大，本文只列出前6階的固有頻率，如表3所示。

由表3可知，該結構的前6階固有頻率較高，均大于500 Hz，有效避開了外部工作環境的激勵頻率，可以避免該電子設備結構發生共振損壞。該電子模塊結構的前6階振型均為局部變形，模塊整體結構的剛度較好。

3? ? 沖擊仿真分析

按照沖擊試驗的力學條件對該電子設備結構進行瞬態動力學仿真分析。施加載荷和邊界條件，將結構的材料阻尼系數設置為0.03，沖擊載荷的作用時間為11 ms，為了能夠捕捉沖擊載荷作用下整個過程的結構響應，將仿真計算時間設置為20 ms。經過仿真分析，可得到結構響應結果，如表4所示。

由表4中的結果可知，在X、Y、Z三個方向沖擊載荷作用下，X向結構響應最劇烈（圖2），結構響應的最大變形為4.63×10-4 mm，最大應力為5.23×10-2 MPa。因此，該電子設備結構設計可以滿足沖擊環境的要求，安全裕度較大。

4? ? 隨機振動仿真分析

采用PSD方法進行隨機振動仿真分析，按表2中的數據設置載荷和邊界條件，分別得到X、Y、Z三個方向載荷作用下的最大變形和最大應力，按照設計經驗，通常按照3σ響應結果進行分析（不出現大于此值情況的概率為99.7%），最大3σ變形云圖和最大3σ應力云圖如圖3所示。

綜合比較圖3結果可知，該電子設備在Y向載荷作用下隨機振動的響應最大，最大3σ變形為2.7×10-4 mm，最大3σ應力為0.046 5 MPa，小于材料的屈服強度，滿足隨機振動力學環境要求。

5? ? 結語

本文以某球載雷達電子設備為研究對象，分析力學環境載荷作用對其結構剛強度的影響，完成了結構的模態分析、瞬態動力學沖擊響應分析、隨機振動分析，得到了沖擊響應和隨機振動響應的應力和變形結果，驗證了該設備結構滿足產品抗力學環境的設計要求。

[參考文獻]

[1] 張志富.系留氣球雷達系統空中結構總體設計[J].西安航空學院學報，2019，37（1）：37-41.

[2] 李科選，王美焰，孫浩，等.某型雷達數字陣列模塊結構設計與分析[J].機械與電子，2018，36（10）：27-30.

[3] 李齊兵，敬敏，張梁娟，等.某機載單元隨機振動疲勞分析[J].電子機械工程，2018，34（6）：32-35.

[4] 一般工業用鋁及鋁合金板、帶材 第2部分：力學性能：GB/T 3880.2—2012[S].

收稿日期：2020-05-06

作者簡介：孫明遷（1989—），男，安徽蚌埠人，碩士研究生，結構設計師，研究方向：雷達電子設備結構設計。