某机载雷达天馈伺系统随机振动分析*

沈德刚

(海军驻南京地区航空军事代表室， 江苏 南京 210002)

某机载雷达天馈伺系统随机振动分析*

沈德刚

(海军驻南京地区航空军事代表室， 江苏 南京 210002)

文中针对某机载雷达天馈伺系统，进行使用环境下的随机振动分析。首先建立天馈伺系统的有限元模型，进行模态分析，得到系统的固有频率和对应振型，然后采用模态叠加法计算系统在随机激励试验谱线作用下的应力、位移响应，最后对结构的强度进行校核并提出结构改进的方向。分析结果表明，该天馈伺系统可以满足产品的使用环境要求并具有一定的安全余量。

天馈伺系统；随机振动；有限元；模态叠加法

引 言

雷达技术的不断深入及雷达设计手段的提升，使雷达技术不断跃上新的台阶[1]。随机振动是造成机载结构破坏的重要因素，也是振动工程领域研究的一个热点问题。随机振动的响应分析结果是复杂工程结构构形设计、材料选取、可靠性评估等的重要参考依据。目前，除试验手段外，尚无非常适合的理论分析方法用于结构的宽带随机振动环境设计与考核[2]，因此有限元法是替代试验方法的重要手段。有限元法不但能给出整体的详细信息，还能给出局部的详细信息(如加速度、应力响应等)，在工程领域较多用于随机振动分析[3]。某波段雷达的天馈伺系统结构复杂，使用环境恶劣，其强度是设计过程中必须考虑的因素,本文采用数值模拟的形式对某雷达天馈伺系统进行了随机振动分析，并对结构强度进行了校核。

1 天馈伺系统简化模型

天馈伺系统由天线、天线座和馈线3部分组成，天线、天线座与馈线之间采用螺钉紧固，天线座通过大螺栓与飞机紧固并作为基础约束，其连接关系如图1所示。

根据天馈伺系统的工作状态和受力情况简化几何模型，由于系统的结构较复杂，为了减小计算规模，提高计算效率，将原几何模型中对分析结果影响较小的几何特征去除，得到简化后的几何模型。采用专业的前处理软件ICEM CFD分别对简化后的天馈伺系统的各个零件单独进行网格划分，最后进行网格模型的组装。为了精确地描述结构的力学响应，模型采用六面体结构网格，且保证结构的薄壁处含有3层以上的单元分布，划分后的天馈伺系统网格如图2所示。

图1 天馈伺系统的结构组成

图2 天馈伺系统的网格模型

2 模态分析

随机振动有限元分析求解方法主要有模态叠加法和直接积分法，本文采用模态叠加法求解。模态叠加法的特点是预先求出天馈伺系统的模态，即按自然频率和模态将完全耦合的通用运动方程转化为一组独立的非耦合方程[4]。该结构在激振力作用下的运动方程可以简写为

(1)

式中：[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{x}是位移响应；{f}是激励载荷。

通过对上式解耦，得到位移响应为不同阵型的叠加公式。

模态分析时应合理选择计算模态的阶数和频率范围，以免在频响分析时因参数选取不当造成共振频率点的遗漏，进而使分析结果误差较大，影响结果的可靠度。天馈伺系统前3阶模态结果如表1和图3所示。

表1中给出了天馈伺系统的前3阶固有频率值，图3为对应的前3阶振型，从图3可以看到1阶振型为方位振动，2阶振型为俯仰振动，3阶为横滚方向振动。

表1 天馈伺系统前3阶固有频率

图3 天馈伺系统前3阶模态振型

3 随机振动响应分析

3个正交轴向的功能振动试验量值如图4所示，每轴向试验时间为1 h。耐久试验量值为功能量值的1.6倍，产品在非工作状态下进行3个正交轴向的试验，试验时间为每轴向5 h。

图4 随机振动功能试验谱线

在模态分析的基础上，进一步对天馈伺系统进行3个轴向的随机振动响应分析，获得天馈伺系统的结构位移和应力响应，以校核结构强度是否满足随机振动的环境条件要求。

3.1X向随机振动响应分析结果

图5为天馈伺系统在X向随机振动载荷下的应力响应云图，由于有限元模型中同时包含了实体单元和壳单元，因而应力响应云图分成了实体单元部分和壳单元部分。从图5可以看出，X向随机振动时的最大1σ应力为28.6 MPa，发生在天线座与载机接口的螺栓孔处，3σ应力为85.8 MPa。

图5 天馈伺系统X向随机振动应力响应

图6为天馈伺系统在X向随机振动载荷下的位移响应云图，从图6可以看出，最大位移为0.53 mm，位于天线阵面底端。

图6 天馈伺系统X向随机振动位移响应

3.2Y向随机振动响应分析结果

图7为天馈伺系统在Y向随机振动载荷下的应力响应云图，从图7可以看出，Y向随机振动时的最大1σ应力为31.9 MPa，仍发生在天线座与飞机的安装接口处，3σ应力为95.7 MPa。

图7 天馈伺系统Y向随机振动应力响应

图8为天馈伺系统在Y向随机振动载荷下的位移响应云图，从图8可以看出，最大位移为0.68 mm，位于天线阵面底端。

图8 天馈伺系统Y向随机振动位移响应

3.3Z向随机振动响应分析结果

图9为天馈伺系统在Z向随机振动载荷下的应力响应云图，从图9可以看出，Z向随机振动时的最大1σ应力为31 MPa，仍发生在天线座与飞机的安装接口处，3σ应力为93 MPa。

图9 天馈伺系统Z向随机振动应力响应

图10为天馈伺系统在Z向随机振动载荷下的位移响应云图，从图10可以看出，最大位移为1.52 mm，位于天线阵面底端。

图10 天馈伺系统Z向随机振动位移响应

综上所述，天馈伺系统在X向、Y向和Z向随机振动条件下安装接口处存在局部的应力集中，最大应力发生在Y向振动激励的情况下， 3σ应力为95.7 MPa，小于220 MPa的许用应力，故可认为整个结构强度满足安全要求。另外，由于天线和馈线结构基本为薄壁焊接结构，应力较为均匀，受加工要求约束，因此减重余量不大。天线座左右支臂安全系数较大，仍有进一步减重的可能，可作为后续优化设计的重点。

4 结束语

本文通过对雷达天馈伺系统的模态分析，得到雷达天馈伺系统在功率谱范围内的各阶固有频率，并在此基础上进行了随机振动分析，得到了最大振动应力。从结果可以看出，最大应力发生在天线座与飞机的安装接口处，但系统的整体强度满足结构强度要求，表明该设计完全满足雷达使用要求。

[1] 程海平. 某双偏振雷达馈线系统结构设计[J]. 机械与电子, 2010, 7(1):107-109.

[2] 韩增尧，曲广吉．航天器宽带随机振动响应分析[J]. 中国空间科学技术, 2002, 2(2): 24-30.

[3] 郭万存, 吴清文, 刘宏伟, 等. 用静强度理论考查结构随机振动响应的工程分析方法[J]. 机械强度，2012, 34 (1): 31-36.

[4] 白葳, 喻海良. 通用有限元分析ANSYS8.0 基础教程[M]. 北京:清华大学出版社, 2005.

沈德刚(1977-)，男，工程师，主要从事航空装备监造工作。

Random Vibration Analysis for Antenna Feed and Servo Systems of an Airborne Radar

SHEN De-gang

(NavalAviationMilitaryRepresentativeOfficeinNanjingArea，Nanjing210002,China)

The random vibration analysis of the antenna, feed and servo systems of an airborne radar is carried out under operation environment in this paper. The finite element model of the antenna, feed and servo systems is firstly established. And the mode analysis is carried out to obtain the inherent frequencies of the systems and the corresponding vibration types. Then the stress and displacement responses of the systems are obtained under random vibration spectrum line by the mode superposition method. Finally the structure strength is checked and the improvement orientation is put forward. The analysis result shows that the antenna, feed and servo systems can meet the product operation environment requirements and have enough safety redundancy.

antenna feed and servo systems; random vibration; finite element; mode superposition method

2013-08-19

TN82

A

1008-5300(2013)05-0001-03