某雷达天线主塔受力分析

樊友军，王乾峰，仙 锦

(南湖机械总厂，湖北 荆州 434007)

某雷达天线主塔受力分析

樊友军，王乾峰，仙 锦

(南湖机械总厂，湖北 荆州 434007)

米波雷达由于天线阵面口径大，天线主塔受力复杂，其结构的安全性和可靠性一直是结构设计的重点。在某型雷达的研制过程中，对主塔的受力情况进行了仿真分析，在样机上对仿真状态下的应力进行了理论计算、仿真分析和应力测试，并对理论计算、仿真分析和应力测试3种方法所得到的数据进行了比对分析，发现其结果存在一定的差异。对产生差异的原因进行了分析，找出应力变化、传递的规律，为类似结构设计提供参考依据。

雷达；天线；主塔；应力；仿真；测试

图1 某系列雷达主塔结构形式示意图

由于米波雷达单元天线布局稀疏，阵面口径较大，天线阵面结构常以天线主塔为基础展开布置。随着新技术在雷达天线上的应用，某系列雷达天线阵面的重量由不足2t增加至近7t；为了提高雷达的机动性，天线的举升/倒架传动机构由手动+电动绞车、电动丝杆螺母衍变为到液压传动，时间由20min缩短至3min。因此，其主塔的结构形式由简单的桁架结构衍变为箱式板块复合桁架结构，如图1所示。雷达工作时，天线阵面所承受的载荷通过主塔传递到转盘及天线座车上，主塔结构的刚强度直接影响到天线的稳定性和指向精度[1]。下面，笔者根据天线阵面预计的载荷对主塔进行结构设计，利用Ansys软件对主塔进行仿真分析，及时修改设计参数，在样机上进行应力测试，通过对理论计算、仿真分析和应力测试的结果进行比对，找出应力变化、传递的规律，为类似结构设计提供参考依据。

1 工况及分析说明

1.1工况

1.2分析说明

通过前期计算，天线主塔在举升的初始状态时受力最大，工作状态时天线阵面在风载作用下对座车抗倾覆支腿产生的倾覆力矩最大。笔者仅研究主塔的受力情况，故在进行计算、仿真和测试的过程中只考虑天线举升初始状态时在自重的作用下对主塔所产生的拉压应力。

2 仿真分析

主塔结构由简单的桁架结构衍变为箱式板块复合桁架结构，此结构为典型的板壳结构，采用板壳模型进行计算能较好的反映主塔的实际受力情况。三维板壳几何模型的具体结构形式、几何形状、尺寸参数及各构件的连接关系均与原结构保持一致，不做过多的简化，假设各构件的焊接为理想焊接。主塔选用的材料为Q345B，密度ρ=7.8×103kg/m3，弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，许用应力σ=220MPa。按照主塔举升的初始状态时受力情况对模型给定载荷，经分析主塔应力云图如图2所示，各点应力值见表1(“-”表示拉应力)。

图2 主塔应力云图

3 应力测试

试验采用电测法对雷达主塔进行应力分析。电测法主要是通过贴在构件被测点处的应变片，将被测点的应变值转换为应变片的电阻变化，再利用电阻应变仪测出应变片的电阻变量，并直接转换输出应变值,然后依据虎克定律计算出构件被测点的应力值的大小，是将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件转换成电量来进行测量的一种方法[2]。电阻变量与应变值关系如下：

式中,Ks为金属细丝的电阻应变灵敏系数；R、l分别为敏感栅金属细丝的电阻、长度；ΔR、Δl分别为测试前后金属细丝的电阻、长度变化量。

图3 测量电桥

试验采用TST3826静态应变测试系统，最高采样频率1Hz；最高分辨率1με；测量应变范围±20000με。3片直角应变花若干(电阻119.8±1Ω，灵敏系数2.08%±1%，栅长×栅宽：5 mm×3mm)。

为消除温度变化等因素对测量精度的影响，分组对测点进行了相应的补偿，如图3所示。采集举升初始状态下主塔上应变片的应变值，得到相应的数据。由于设备误差，倒架状态的初始应变为0，主塔离开支架后所测应变值也存在一定的波动。为减小误差，对数据进行如下处理：将倒架状态和恢复到倒架状态的应变值取平均，作为初始应变；将举升初始状态下的较稳定的测量数据取平均，作为测量应变值；将测量应变值减去初始应变值，得到该点最终实测应变值。各点应力值见表1。

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4 理论计算

对主塔结构进行简化处理后，按照静力学和材料力学的方法对主塔特殊部位进行受力分析。

4.1支座定点应力计算

4.2侧壁前面应力情况

转点受力简图如图5所示，其中F1,F2,F3为拉力，N。

图4 支座受力示意图 图5 转点受力简图

根据平面任意力系的平衡方程有：

F1cos4°+F2cos33°-F3cos87°+71.3×104=0

F1sin4°+F2sin33°+F3sin87°+3.6×104=0 32F1-42F2+240F3=0

得：

F1=-62.15×104NF2=-10.54×104NF3=6.44×104N

从而应力σ1，σ3计算如下：

5 数据比对分析

表1 应力值对比表

主塔各点测试应力值、有限元仿真分析应力值和特殊点的计算应力值见表1。通过比较可以看出，有限元分析、应力测试和理论计算的结果存在一定的差异，造成差异的原因主要有以下几点：①在对复杂的空间桁架结构建模时进行了简化或近似处理，对仿真的结果有一定的影响；②在应变片粘贴的初始状态与有限元分析的边界条件不一致，导致结果存在一定差异[3]；③理论计算时对结构进行了简化处理，使其计算结果存在一定的差异。

6 结 语

通过对某型雷达天线主塔在特定的受力环境下进行有限元分析、应力测试和理论计算的应力值进行比对，发现其值存在一定的差异，但其变化趋势一致。对产生差异的原因进行了分析，为类似结构的设计提供了一定的参考依据。在进行受力分析和验算时应采取多种方式，力求与实际工作状态相近，其结果将对结构设计起到更好的指导作用。

[1]朱钟淦，叶尚辉.天线结构设计[M].北京：国防工业出版社，1979.

[2]王琦.电测法在应变测量中的应用简述[J].潍坊高等职业教育，2009，5(4)：67-68.

[3]王晓红，朱志远.某雷达前梁的应力测试及仿真分析[J].电子机械工程，2009，25(5)：53-55.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.047

TN957.8；TP15

A

1673-1409(2012)06-N145-03