舰船用雷达天线转台系统适装性结构优化设计

赵广涛，李润林，薛宜童

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

舰船用雷达天线转台系统适装性结构优化设计

赵广涛，李润林，薛宜童

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

根据舰船平台的特点和要求以及雷达技术多功能、一体化、高集成度的发展趋势，从天线外流场结构优化设计、结构优化减重设计、轻型材料及其工艺技术研究等方面，对天线转台系统适装性结构优化设计技术进行了分析和探讨，并结合某项目天线转台系统进行了适装性结构优化设计工作。该优化设计方法也可以应用在其他装备产品的适装性结构优化设计中，尤其是舰船用雷达天线转台系统适装性结构优化设计工作中。

舰船用雷达；天线转台系统；适装性；结构优化设计；轻型材料

0 引 言

从上世纪30年代以来，舰船用雷达一直受到各国海军的高度重视。经过多年的发展，其性能得到了很大提高，已成为舰船用作战系统的重要组成部分。随着作战环境的不断变化，雷达也面临着反辐射导弹、隐身目标、超低空突防、综合电子干扰以及多方向、多批次、大密度饱和攻击的威胁。为了提高雷达在复杂电磁和作战环境下的探测能力，雷达正向多功能相控阵、低截获、一体化、数字化、分布式和网络化、高集成度等方向发展。这就要求雷达必须坚持“轻型化、小型化、组合化”的设计原则。

由于舰艇上装备的电子设备比较多，舰船用雷达装备必须兼顾与其他电子设备的交连与综合。对于安装在舰艇桅杆顶上的雷达天线转台系统，除加强舰艇桅杆的刚强度设计外，应严格控制天线转台系统的重量、体积等指标，避免对舰船的稳定运行与安全产生不利影响。为此，需要根据舰型(大、中、小)的特点，结合可能列装的装备对象，在保证雷达各项电讯性能的基础上，要尽可能地降低雷达天线转台系统的重量和体积。这就需要开展雷达天线转台系统适装性结构优化设计技术研究[1-4]。

目前，采用国际先进设计理念的舰船用三坐标雷达一般具有基于单面旋转相控阵天线、分布式发射、全数字DBF接收、电子稳定平台等技术特点，且可靠性高、可维性好、天线转台系统重量一般要求不大于1200 kg，以适装于1500～3000 t的中小型舰船。针对该体制雷达中初样机重量为1695 kg的雷达天线转台系统，本文开展了结构优化的系统设计技术研究；针对比较大的适装性结构优化减重设计技术压力，系统开展了雷达天线转台结构系统设计，重点从天线外流场结构优化设计技术、结构优化减重设计、轻型材料及其工艺技术研究等方面进行研究和探讨，实现其重量要求。

1 天线外流场结构优化设计方法

与车载、固定式雷达有所不同，舰船用雷达通常要求的正常工作风速和不破坏状态风速都比较高。舰船用雷达的天线转台系统所受的载荷通常包括风载荷、惯性载荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪载荷和温度载荷等几种类型。根据舰船正常工作环境和设计要求，正常工作和不破坏条件下的相对风速都非常高，风载荷在舰船用雷达天线转台系统所受的载荷中通常是最大的一个因素。在某些项目中，系统结构需要克服的风载荷占总载荷的比例超过80%。因此，降低天线转台系统的风载荷是提高舰船用雷达天线转台系统适装性和雷达结构可靠性非常有效的途径。本文提出了一种舰船用雷达天线外流场结构优化设计方法，通过将雷达天线数值风洞技术和外形结构设计理论相结合，并通过风洞试验进行比对和验证，用于指导雷达天线结构方案设计，有效地降低了雷达天线转台系统所受的风载荷，为下一步的结构优化减重设计打下良好的基础。

目前，降低天线转台系统风载荷的主要手段是通过持续多轮次的风洞试验。在此过程中，需要不断地通过改进天线外形结构，并不断地进行风洞试验。而每次更改天线外形结构都需要重新设计和加工风洞试验模型，费时费力，成本也比较高。

用CFD方法对雷达天线外流场气动力学数值模拟分析正逐步成为雷达天线设计初期的很有效的手段，其缺点是计算量大。随着近年来处理器性能大幅提高，雷达天线外流场数值模拟分析方法的快速和成本优势正逐渐显现。目前，在雷达天线外流场结构优化设计方面有着良好的应用前景[5-8]。

本文提出的舰船用雷达天线外流场结构优化设计方法，其主要特征和流程如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤1 初始外形结构方案：根据雷达总体技术和适装性要求，结合雷达工作的环境条件，给出雷达天线的初始外形结构方案；

步骤2 三维实体建模：根据雷达天线外形结构方案，进行三维实体建模；

步骤3 根据CFD特点对外形结构进行简化：外形结构简化，使得数值模拟计算的效率和准确性都能兼顾；

步骤4 数值模拟：进行天线外流场数值模拟计算；

步骤5 仿真分析结果输出：对仿真分析结果进行后处理后输出；

步骤6 根据风洞试验特点对外形结构进行简化：外形结构简化，使得风洞试验模型的可加工性和试验准确性都能兼顾；

步骤7 风洞试验：进行天线转台系统模型风洞试验；

步骤8 风洞试验结果输出：对试验结果进行处理后输出；

步骤9 外形结构方案更新：对天线外形结构进行优化设计，进行新的数值模拟和风洞试验；

图1 舰船用雷达天线外流场结构优化设计方法流程图

重复步骤3～8，直至优化设计结束。通常步骤3～5的重复次数要比步骤6～8的重复次数多，因为不是每次数值模拟的结果都有价值。如果仿真分析结果表明某外形结构方案的风载荷比初始结构方案的风载荷还要大，就不需要进行风洞试验，而直接进入步骤9。

2 结构优化减重设计

在雷达天线外流场结构优化设计技术的基础上得出雷达天线转台系统所受的总载荷。根据天线转台系统所受的总载荷，对结构件进行刚强度设计和校核，开展天线转台系统结构优化减重设计工作。目前，主要从以下几个方面开展了工作，并取得了一定的进展。

(1) 收发分机冷却方式的选择

固态收发分机装放在相对密闭的机架箱体内，采用整体防雨雪、模块化设计。其中TR组件、大功率电源等模块在工作中会产生大量的热量, 对工作环境有一定的要求，尤其是TR组件的壳体温度要求不大于70℃。整个收发分机的总发热量接近10 kW。

为了将收发分机的热量有效地散发出去，可选的冷却方式主要有敞开式强迫风冷、循环风冷和循环水冷等3种。不论采用何种冷却方式，冷却介质都需要通过多路介质环输送到收发分机内部。经过深入分析和调研，对采用这3种冷却方式下的天线转台系统重量进行了详细的估算，只有在收发分机采用循环水冷的冷却方式下天线转台系统的重量才可能低于1200 kg。最终选定循环水冷作为收发分机的冷却方式。

(2) 动力传动系统优化设计

按照舰船用雷达正常工作相对风速要求，得出了方位电机的扭矩和功率需求，以此为依据选定电机。由于外形结构的原因，尽管该项目雷达天线系统的重量和转动惯量比某大型舰船用中远程三坐标雷达天线系统要小很多，但是由于方位风力矩较大，所需的方位电机功率不小于15.1 kW，而后者的方位电机功率需求不大于13.9 kW。在执行电机选择时，由于系统为长期连续变载荷工作的驱动系统，需要根据“惯量匹配”的方法来选择电机。根据功率需求，有3种电机可选，重量分别为50、67和86 kg。经过认真的比对筛选以及惯量匹配计算，最后选用了小惯量电机，负载惯量折算到电机轴上两者之比为2.59，能够满足使用要求，且伺服控制性能也比较好。两型雷达所用电机功率和重量等参数如表1所示。可以看出，在满足载荷要求的前提下，该项目选用的电机额定功率更大，但是重量更小，从而有效地降低了天线转台系统的重量。

表1 两型雷达所用电机功率和重量等参数

(3) 结构优化减重设计和刚强度校核计算

天线转台系统方案设计的一个重要依据是负载计算结果。根据载荷计算结果来进行结构件的刚强度校核和电机功率校核，从而进行结构方案设计和电机、减速箱选型。

首先进行关键受力构件的结构设计，并进行三维建模。根据载荷计算结果，对关键受力构件进行了初次的刚强度计算和校核。接着，根据初步的刚强度计算结果以及结构学和力学的相关知识，进行关键受力构件的优化减重设计，甚至是重新设计。然后，对优化减重设计后的关键受力构件进行刚强度计算和校核。上述过程反复进行，才能有效地减轻关键受力构件的重量，从而降低天线转台系统的重量，达到结构优化减重设计的目的。减重优化设计和刚强度校核计算流程如图2所示。

图2 减重优化设计和刚强度校核计算流程图

刚强度分析仅仅是个目的而不是结果。对于有限元分析得出的应力应变分析结果，如果表明最大应力点的应力远小于材料的可承受应力水平，最大变形远小于设计要求，表明结构件的刚强度能够满足设计要求，而且设计较为保守。要想达到优化减重的目的，需要进一步设计和分析，根据仿真分析结果，对结构件进行优化设计，该加强的部位加强，该减重的部位就要进行减重设计。这个过程是一个不断反复的过程，而且非常繁琐，需要花费大量的时间和精力，才能取得比较好的效果。

在结构优化减重设计过程中，必须始终保证关键受力构件的强度留有足够的余量，以确保雷达天线转台系统的结构可靠性和稳定性。

3 轻型材料及其工艺技术研究

舰船雷达装备结构上大部分采用钢材、钛合金或铝合金，并有一定数量采用复合材料。在该演示验证雷达天线转台系统方案中，就采用了轻型金属材料钛合金和铝合金，并采用了一定数量的复合材料。

目前，真正用在雷达结构上的高性能复合材料还不多。为了提高雷达抗恶劣环境条件的能力，实现雷达的轻量化和小型化，一些先进的复合材料，如碳纤维复合材料，随着工艺技术的进一步发展和材料成本的逐步降低，必将在雷达结构中得到越来越多的应用。

在选用工程材料或复合材料时，还必须考虑材料的使用性能、工艺性能和经济性，并根据所用的材料选择相应的工艺处理方式，通过工艺处理获得所需要的力学或工艺性能。

4 适装性结构优化设计结果

结合某项目雷达天线转台系统，从天线外流场结构优化设计技术、结构优化减重设计、轻型材料及其工艺技术研究等方面进行了分析和论证，取得了较好的效果，最终达到了预期目的。该项目雷达天线转台系统优化前后的重量比较见表2。

表2 雷达天线转台系统优化前后的重量比较

5 结束语

本论文中提出和采用的天线转台系统适装性结构优化设计的技术思路和方法，适用于该项目雷达天线转台系统的适装性结构优化设计，取得了较好的效果。由于所采用的技术路线、技术手段和仿真分析工具具有一定的普遍性，因此，本文提出的技术思路和方法也可以广泛应用在其他装备产品的适装性结构优化设计中，尤其是舰船用雷达天线转台系统适装性结构优化设计工作中。

[1] 赵广涛,李润林,毛俊东.舰船用雷达平板天线外流场结构优化设计[J].雷达与对抗,2014,34(1):50-52.

[2] 赵广涛,吴洪才.舰载雷达适装性研究[C]//中国造船工程学会2009年学术年会论文集,2009:405-408.

[3] 张润逵,戚仁欣,张树雄.雷达结构与工艺(上册)[M].北京:电子工业出版社,2007.

[4] 平丽浩,黄普庆,张润逵.雷达结构与工艺(下册)[M].北京:电子工业出版社,2007.

[5] 李趁趁,高丹盈,黄承奎.碳纤维与玻璃纤维增强聚合物复合材料耐久性[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(2):150-154.

[6] 唐宝富.复合材料在相控阵天线中的应用[J].电子机械工程,2002,18(3):35-40.

[7] 周万幸.舰载雷达的现状及发展趋势分析[J].现代雷达,2007,29(9):1-4.

[8] 陈文英,陈玲.海用雷达技术及其进展[J].舰船电子对抗,2008,31(4):25-28.

Structural optimum design on mounting adaptability of antenna rotary platform system of shipborne radars

ZHAO Guang-tao, LI Run-lin，XUE Yi-tong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

According to the characteristics and requirements of the ship platform as well as multi-functional, highly integrated development trends of radar technologies, structural optimum design technologies on mounting adaptability of the antenna rotary platform system are analyzed and discussed in terms of antenna external flow field structural optimum design, structural lightening design, lightweight material, and technical skills. The structural optimum method is applied in a project, and it can also be applied in other equipment products, especially in the antenna rotary platform system of shipborne radars.

shipborne radar; antenna rotary platform system; mounting adaptability; structural optimum design; lightweight material

2014-04-11

赵广涛(1976-)，男，高级工程师，博士，研究方向：雷达结构工艺和总体技术；李润林(1979-)，男，高级工程师，研究方向：结构工艺设计；薛宜童(1979-)，男，工程师，研究方向：大气与海洋类雷达系统。

TN957.8

A

1009-0401(2014)04-0059-04