雷达天线抗冲击仿真分析与轻量化设计

周　泓,庄文许,宋骏琛

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

雷达天线抗冲击仿真分析与轻量化设计

周泓,庄文许,宋骏琛

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：针对某雷达系统天线轻量化设计要求,进行了恶劣环境下的抗冲击仿真分析和结构轻量化设计。利用动力学分析方法,在有限元软件中建立了天线的仿真模型,将加速度冲击谱时域曲线直接作用于天线的安装件。计算得到天线在该冲击谱作用下的冲击响应,仿真结果显示可减小天线结构件的厚度尺寸,并对应力较小的部位进行减重设计。对尺寸和结构优化后的天线再次进行仿真分析。结果表明:优化后的天线质量减轻的30%,同时结构刚强度满足工作环境抗冲击要求。

关键词:抗冲击；雷达系统；天线；轻量化

0引言

相对舰艇有一定距离的水下非接触爆炸作用将引起舰艇突发的瞬态相对运动,该运动对舰艇而言就是冲击载荷。冲击载荷对舰总体、设备和船员的作用是较为恶劣的极限工作环境,通常比舰船摇摆、振动的设计更加严苛,需要在舰船研制时予以全面地考虑并对设备进行良好地防护[1]。受装舰要素限制,对某雷达提出了较高的轻量化设计要求,然而质量的降低将带来刚强度的降低,需对其各组成单元的尺寸和结构进行优化设计以满足装舰要求。

在抗冲击研究中,时域模拟法考虑各种非线性因素的影响,可以较真实地反映系统的动力学特征,应用广泛。汪玉等对一类船舶设备的限位器进行抗冲击刚度计算,并运用带间隙的弹簧单元逼近限位器的冲击刚度,实现了非线性系统冲击响应模拟[2]。林道福等在总体坐标系下建立了浮筏隔振系统的运动方程,并采用直接积分法计算了在基础冲击激励下的动力响应[3]。

天线是舰载雷达系统的重要件,一般由线阵和骨架组成,在冲击载荷作用下,受到自身质量产生的惯性力,产生冲击响应和变形。本文采用时域模拟法[4-5]对某舰载雷达系统天线的线阵进行抗冲击仿真计算和结构轻量化设计。首先在有限元软件中建立天线的完全仿真模型,将冲击载荷时域冲击谱作用于安装骨架,获得线阵的冲击响应和应力,然后依据仿真结果减小结构件的厚度尺寸,并对应力较小的位置进行减重设计,最后对尺寸和结构优化后的线阵再次进行抗冲击仿真,验证其刚强度。结果表明,通过减小厚度尺寸和局部结构减重设计,线阵的质量降低了30%,刚强度满足抗冲击环境要求,对天线整体轻量化设计起到了良好的作用。

1问题描述

一类天线由线阵和骨架组成。线阵为长方体部件,其横截面如图1所示。线阵通过连接件安装在骨架上形成阵列天线。某舰载雷达天线结构组成如图1所示。同类产品通常设计D≥3.5 mm,d≥2 mm,但质量指标不能满足新产品的装舰要求,因此需从尺寸和结构方面进行轻量化设计。

本文对天线在极限冲击环境下的动力学响应进行分析,根据初步获得的刚强度分析结果进行轻量化设计和仿真验证。

图1　线阵横截面

图2　天线组成图

2问题求解与轻量化设计

2.1有限元模型

天线直接安装在舰船的甲板上。采用动态分析的直接解法,冲击载荷可等价于一种双三角形时域曲线,通过骨架作用在线阵上。

按照天线实际结构进行建模,将螺纹孔、密封槽和倒角等细小的特征忽略,采用实体网格六面体单元。模型如图3所示,分别建立线阵、连接件和骨架的零件模型并进行装配,将各零件接触面之间建立绑定约束。材料的弹性模量E=72000 MPa,泊松比u=0.3,密度ρ=2.7×10-9t/mm3。

图3　天线有限元模型

2.2边界条件和载荷

在本分析中,边界条件和载荷是一种位移运动规律[5],作用在骨架的底面,见图4中标“冲击载荷约束面”的4个面。

仿真结果包括沿垂向、横向和纵向3个方向施加冲击载荷的应力、应变。依据文献[6-7],安装区域的设计冲击谱如表1所示。该加速度可以用双三角形时域曲线表示,如图5所示。计算公式如式(1)所示。

(1)

式中,A0、V0和D0为该系统设计冲击谱中的等加速度谱、等速度谱和等位移谱。计算得3个方向时域冲击曲线的参数如表2所示。

表1　安装区域隔离系统设计冲击谱

图5　双三角形时域曲线

表2　安装区域减振系统设计冲击时域曲线参数

本文采用显式动力学方法,将该加速度时域曲线直接作用于冲击载荷约束面上,计算获得3个方向的动力学响应结果。

2.3仿真结果

初步设计D=4 mm,d=2 mm,计算获得天线分别在3个方向冲击载荷作用下的应力、位移分布时变过程,应力最大产生在垂向载荷作用下。该时刻的应力、位移仿真结果云图如图6～7所示。图6为应力云图,最大应力约为69.1 MPa,发生在线阵与连接件的连接处。图7为位移云图,模型上的最大位移为8.18 mm,最小位移为0.69 mm,相对变形量为7.49 mm。

天线所选用材料抗拉强度为σb=231 MPa。根据抗冲击试验大纲,冲击作用下应力应小于所选材料抗拉强度的90%,即208 MPa。因此,可对结构进行进一步的轻量化设计,如减小壁厚、局部减重等。

图6　初步设计应力最大时刻的应力分布云图

图7　初步设计应力最大时刻的位移分布云图

2.4结构优化设计与仿真验证

综合考虑轻量化设计要求和工艺性,优化设计D=2.5 mm,d=1.5 mm,并对线阵上应力较小的部位减小局部材料,设计减重孔、槽等。对优化了厚度尺寸和局部结构的天线进行相同的抗冲击仿真分析,结果如图8～9所示。图8为应力云图,最大应力约为71.7 MPa,发生在线阵与连接件的连接处。图9为位移云图,模型上的最大位移为60.88 mm,最小位移为54.05 mm,相对变形量为6.83 mm。

综上分析结果表明:结构优化设计后的天线满足应力和相对变形量的要求,但质量降低约30%,对整机轻量化设计具有较好的意义。

图8　优化设计应力最大时刻的应力分布云图

图9　优化设计应力最大时刻的位移分布云图

3结束语

针对某雷达系统轻量化设计和抗冲击性能设计要求,对天线进行了抗冲击仿真分析并根据仿真结果优化了天线的结构设计。

(1) 建立了天线抗冲击仿真的有限元模型,分析了天线在垂向、横向和纵向冲击载荷作用下的冲击响应和应力分布。

(2) 根据仿真结果,对天线的厚度尺寸和局部结构进行减重设计,质量减轻约30%,优化后的结构在冲击载荷作用下的最大应力约为71.7 MPa。该时刻天线的相对变形量约为6.83 mm,满足使用需求。这为后续整机轻量化设计提供了重要的参考依据。

参考文献:

[1]汪玉, 华宏星.舰船现代冲击理论及应用[M].北京: 科学出版社, 2005:8-10.

[2]汪玉,胡刚义,华宏星,等.带限位器的船舶设备非线性冲击响应分析[J].中国造船,2003, 44(2): 39-44.

[3]林道福, 与永丰, 华宏星.带限位器的浮筏隔振系统的冲击响应分析[J].噪声与振动控制,2004, 46(1): 36-43.

[4]张影.船用齿轮箱抗冲击计算方法分析[D].哈尔滨工程大学,2010.3.

[5]庄茁,由小川,廖剑晖,等．基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版社,2009:190-191．

[6]GJB150.18-86军用设备环境试验方法——冲击试验[S].

[7]姜涛, 王伟力, 黄雪峰, 等.舰艇抗冲击设计中正负三角波冲击谱分析与应用[J].海军航空工程学院学报, 2010, 25(2): 145-148.

Anti-shock simulation and analysis and lightweight design of a radar antenna

ZHOU Hong, ZHUANG Wen-xu, SONG Jun-chen

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

Abstract:In view of the lightweight requirement of a radar antenna, the anti-shock simulation and analysis and structural lightweight design are done under severe environments. The simulation model of the antenna is built in the FEM software with the dynamics analysis methods, and the accelerated shock spectrum time-domain curves are directly applied on the mounting parts of the antenna. The shock response of the antenna under the shock spectrum is obtained through the calculation. The simulation results show that the thickness of the structural parts can be reduced and some parts with less stress can also be lightened. The optimized antenna is simulated and analyzed again. The results indicate that the antenna quality is reduced by about 30%, and at the same time the rigidity and strength of the structure satisfy the anti-shock requirement of the working environment.

Keywords:anti-shock; radar system; antenna; lightweight

收稿日期:2016-03-21；修回日期:2016-03-24

作者简介:周泓(1970-),女,工程师,研究方向:机电一体化设计；庄文许(1985-),男,高级工程师,博士,研究方向:机电系统设计；宋骏琛(1990-),男,助理工程师,硕士,研究方向:力学分析。

中图分类号:TN957.8

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0053-03