基于ANSYS Workbench的雷达天线折叠升降机构模态分析

2015-11-09何军

机械工程师 2015年3期

何军

（南京恩瑞特实业有限公司，南京210013）

0 引言

某车载雷达系统的核心部件之一是其雷达天线折叠升降机构。工作时，通过折叠升降系统把雷达天线从舱内升至舱外工作位置，置于雷达车体平台之上；不工作时将雷达天线下降到舱内固定。该系统既可以增强雷达的隐蔽性，又可以提高雷达的机动性［1］。

一般情况下，雷达天线结构将受到风荷、载体振动等随机载荷作用或者受到伺服驱动系统的激励，雷达天线系统将会发生振动，天线旋转时相当于一个重载的物体在平台上旋转，所以天线系统的运转稳定性对车载雷达工作的稳定性和机动性有很大影响，天线系统的固有频率等于外界的干扰力时会发生谐振，系统的性能将会受到影响，不能正常工作。为了保证天线系统能够顺利运行，必须对天线系统进行模态分析［2］。

1 模态分析理论

传统的机构强度的校核是通过大量的强度试验及试验数据分析来完成的，具有试验周期较长、试验数据分析量大、花费高、有破坏性等缺点，难以满足现代雷达工业的高速发展和雷达技术的迅速提高要求。

模态分析技术是现代机械产品结构动态设计和分析的基础，也是近年来迅速发展起来的系统结构动态特性分析的强有力工具。而ANSYS Worksbench是用ANSYS解决实际问题的新一代软件产品，软件界面友好、使用方便，为解决工程实际问题提供了强大的功能和途径，同时也保证了很好的CAE结果，是解决试验难题较好的办法，目前使用比较广泛。模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特征，即结构的固有频率和振动，它们是承受动态载荷结构设计的重要参数［3］。

对于一个N自由度线性定常系统，其基本振动方程可写为对于模态分析,通常［C］｛χ˙（t）｝和｛f（t）｝均为零。因此模态分析的公式为

式中：［M］为弹性系统的质量；［C］为结构的阻尼；［K］为刚度矩阵；｛f（t）｝为动激励载荷向量；｛¨（t）｝为加速度向量；｛（t）｝为速度向量；｛χ（t）｝为位移向量。

2 网格划分及模态分析

由于ANSYS Worksbench软件本身的建模功能还不够强大，故先利用Pro/E对雷达天线折叠机构进行三维建模，再将三维模型另存为IGES中性文件，通过ANSYS Worksbench数据导入功能将数据导入，然后对模型进行网格划分、设置边界条件、加载求解等过程。此种方法非常适用于一些复杂的三维实体模型，它对缩短工程设计人员重复建模的时间，对加快产品的设计进度缩短研发周期等具有非常重要的现实意义，深受用户的欢迎。

网格划分既是有限元前处理的主要过程，又是整个有限元分析的关键工作，网格划分质量的优劣都将对计算时间和计算结果产生很大的影响。它不仅繁琐、费时、而且在许多地方依赖于划分者的经验和技巧，有时候需要进行人工干预和必要的修补。而ANSYS Worksbench的网格划分是比较智能化的，本文采用的是尺寸控制方法和分网方法控制，尺寸控制方法参数通过Element Sizing选项设置，分网方法控制通过Hex Dominant或者Auto Sweep if Dominant方式。

单元类型和单元大小影响有限元的计算效率，在不影响计算结构准确度的条件下，采用ANSYS Worksbench自动划分网格，在ANSYS Worksbench中一般不需要选择单元类型，划分方法是Hex Dominant，运用四面体和六面体结合的方法划分，得到54 698个节点，24 611单元。一般这样得到的实体表面是六面体网格，内部为四面体或是五面体，可以获得满意的计算结果。

天线折叠升降机构使用的材料属性见表1。

边界条件对于模态分析来说也是很重要的，因为它影响着部件的振型和固有频率，因此需要仔细考虑模型的约束状况，根据雷达的实际工作情况，将约束定义在雷达天线折叠升降机构发动机支架与舱仓及舱顶的三个销钉孔处，约束类型选择Fixed Surport。由于雷达天线折叠机构质量较大，固有频率值较小，前10阶的固有频率如图1所示。