某车载雷达天线骨架结构的优化设计

杨 静，王志海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某车载雷达天线骨架结构的优化设计

杨 静，王志海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

天线骨架是车载雷达天线系统的主承力结构，除刚强度需满足设计要求外，其重量也应满足车载雷达的机动性要求。文中利用有限元软件，对工作条件下某车载雷达的天线骨架结构进行了模态分析以及自重、风载和温度载荷等静力分析，并根据天线骨架构型的拓扑优化结果、应力和变形的计算结果、骨架结构形式以及力的传递方式对天线骨架进行了优化设计。仿真结果表明，优化后的骨架在重量减小的同时，刚强度也得到了一定程度的提高。该研究结果可为大阵面高负载天线骨架的轻量化设计提供技术支撑。

天线骨架;有限元;刚强度;拓扑优化;优化设计

引 言

车载雷达天线系统是车载雷达工作的核心部件，负责雷达信号的发送和接收[1]。在自然环境下，影响车载雷达天线稳定性和机动性的因素主要有风载、惯性、自重和温度载荷等[2]。天线骨架是天线结构系统中的一个重要承载部件,为保证车载雷达系统满足使用精度、安全性和机动性要求，天线骨架应在结构性能和重量之间达到平衡[3]。

有限元仿真作为一种辅助工程设计的有效手段,不仅可对产品结构进行刚强度分析,及时发现并改正结构设计中的问题, 缩短产品的设计周期，也可与优化方法结合，对产品进行轻量化设计，因而在航空航天雷达结构设计领域得到了广泛应用[3-4]。

某车载雷达天线阵面主要由天线骨架、互联加强结构和阵面基本模块组成，阵面工作状态覆盖范围为20°～70°，天线骨架由方管焊接而成。本文利用有限元软件，对某车载雷达天线骨架结构进行了刚强度分析，并结合载荷传递路径和拓扑优化结果，对天线骨架结构进行了优化。

1 有限元模型

前处理采用Hypermesh软件，计算和后处理软件采用ABAQUS。选取天线阵面70°构型进行分析，建立的有限元模型如图1所示。天线骨架和分块互连轴承采用梁单元模拟，分块互连加强结构采用壳单元模拟，天线单元和其它负载采用质量单元形式施加，油缸支撑点区域为全约束。天线骨架材料为高强钢Q345E，材料参数见表1。

图1 有限元模型

表1 材料参数

2 仿真分析结果

2.1 模态分析

对天线骨架进行模态分析，得到前5阶固有频率和振型, 如图2所示。从图2可以看出，前5阶的振型主要为扭动和摆动。

图2 天线骨架前5阶模态分析结果

2.2 静力分析

该雷达天线系统涉及的载荷主要有自重、风载和温度载荷。自重载荷包括骨架自重、设备和阵面模块等重量；风载荷包括正面吹风和背面吹风2种情况，按极限状态风速33 m/s进行计算；温度载荷为环境温度与设计安装温度之差，按照极限情况考虑，采用温差60 ℃进行计算。

对自重、风载和温度载荷共同作用下的天线骨架进行刚强度分析，图3和图4分别给出了自重+正面吹风+温度载荷、自重+背面吹风+温度载荷2种情况下天线骨架的应力和变形。从图3和图4可以看出：正面吹风、背面吹风时, 天线骨架的应力和变形分布趋势类似，天线骨架边部变形较大，支撑杆作用位置附近区域应力较大；正面吹风时天线骨架的最大应力为342MPa，背面吹风时天线骨架的最大应力为297 MPa，Q345E钢的屈服极限为345 MPa，安全系数取1.5时，天线骨架强度不能满足设计要求。

图3 自重+正面吹风+温度载荷作用下天线骨架的变形和应力分布情况

图4 自重+背面吹风+温度载荷作用下天线骨架的变形和应力分布情况

3 优化设计

3.1 优化设计依据

本文对天线骨架优化的依据源于2点考虑：一是根据支撑杆的作用位置，进行传递路径优化设计，初步的拓扑优化结果如图5所示；二是天线骨架的应力分布及骨架的结构形式，从图3和图4可以看出，支撑杆作用位置附近区域应力较大，结合天线骨架的结构形式及力的传递方式，在平板框架中形成主骨架，作为支撑骨架。

图5 初步拓扑优化结果

基于以上考虑，将初始的全部方管改成主骨架方管截面加大、次要截面减小的方式，通过主辅骨架的结构形式来提高骨架整体的刚强度，优化后的骨架形状如图6所示，类似于树状结构。

图6 优化后的骨架形状

3.2 优化后的结果

对优化后的天线骨架分别进行模态、自重+风载+温度载荷分析。计算结果表明，优化后的天线骨架的基频有所提高，并且在自重+风载+温度载荷作用下天线骨架的应力和变形均有所减小，如图7和图8所示，优化后的天线骨架最大应力和最大变形分别为229 MPa和40 mm，强度和刚度均满足设计要求。

图7 自重+正面吹风+温度载何作用下优化后天线骨架的变形和应力分布情况

图8 自重+背面吹风+温度载何作用下优化后天线骨架的变形和应力分布情况

表2给出了天线骨架优化前后的应力、变形和重量的比较结果，从表2可以看出，天线骨架结构经优化后，刚强度均满足设计要求，并且重量略有降低。

表2 天线骨架结构优化后的强度、刚度和重量变化

4 结束语

借助于有限元仿真，可对工作状态下的天线骨架刚强度进行分析，其结果可以用于指导天线骨架结构设计,缩短设计周期。本文根据天线构型的初步拓扑优化结果、天线骨架的应力分布和力的传递途径以及天线骨架的结构形式，提出了采用主辅骨架的形式对初始骨架结构进行优化设计。仿真结果证明，优化后的骨架结构刚强度优于初始骨架，并且重量有所减轻。该研究结果可为大阵面高负载天线骨架的轻量化设计提供技术支撑。

[1] 吴佳. 某车载雷达天线结构分析[J]. 雷达与对抗, 2010, 30(4): 59-62.

[2] 伍勇军, 肖佩, 杨红军，等. 基于ABAQUS的车载雷达天线模态分析[J]. 机械, 2007, 34(11): 26-27.

[3] 贺李平. 机载SAR天线座连接支架的拓扑优化设计[J]. 电子机械工程, 2014, 30(1): 52-53.

[4] 王恒海，邵奎武. 星载雷达发射机支撑架结构优化设计及动力学分析[J]. 电子机械工程, 2011, 27(1): 39-43.

杨 静(1982-)，女，博士，工程师，主要从事结构力学仿真研究工作。

Optimization Design for the Antenna Frame Structure of a Vehicle-borne Radar

YANG Jing，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The antenna frame is the primary structure of the vehicle-borne radar antenna system. Its stiffness and strength should meet the design requirement. Its weight should also satisfy the mobility requirement of the vehicle-borne radar. The modal analysis and static analysis (such as gravity, wind force and temperature) are performed for the antenna frame of a vehicle-borne radar under work conditions by finite element software in this paper. The antenna frame is optimized according to the topological optimization results, stress and deformation analysis results, the antenna frame structure and the force transfer mode. The simulation results show that the optimized antenna frame has better stiffness and strength while becoming lighter. This study result can provide technical support for light-weight design of the large-area and high-load antenna frame.

antenna frame; finite element; stiffness and strength; topological optimization; optimization design

2014-09-03

TN82

A

1008-5300(2015)02-0052-03