某大型雷达抗风与抗震力学分析*

严 洲，益志英，徐 望，翁 俊

(北京无线电测量研究所， 北京 100854)

某大型雷达抗风与抗震力学分析*

严 洲，益志英，徐 望，翁 俊

(北京无线电测量研究所， 北京 100854)

文中针对某大型雷达进行了抗风与抗震力学分析。在抗风分析中，首先通过计算流体力学计算了不同工况下的风载荷，作为后续分析的输入；然后通过有限元法，依据规范对天线座架进行了刚强度和结构稳定性校核；最后对各个螺栓进行了强度校核。在抗震分析中，通过有限元法对天线座架进行了九度多遇地震下的反应谱分析。在分析的基础上，对天线座架进行了结构优化。结果表明，天线结构具有足够的抗风与抗震稳定性和安全性。

大型雷达；抗风与抗震力学分析；计算流体力学；有限元

引 言

大型雷达具有作用距离远、分辨率高和多目标跟踪等优点。随着各功能模块批量生产能力的提高及成本的降低，大型雷达在各个领域得到越来越广泛的应用[1]。

大型雷达天线口径大，迎风面积大，架设高度相对较高，其自重和风载荷通常是结构设计中的控制载荷，对大型雷达的抗风力学分析是环境适应性设计中极为重要的一个部分[2]。针对大型雷达，需要在规定工况下分析其刚度与强度是否满足设计要求。此外，大型雷达不同于小型雷达，其结构稳定性往往更为重要，需要对其进行结构稳定性分析。文献[3]通过ANSYS分析了某大型雷达的刚度、强度及稳定性，为天线结构优化与减重方案提供了较好的参考依据。对于大型雷达，除了需要进行抗风设计外，还需要考虑地震对它的影响。文献[4]通过有限元法分析了某天气雷达站塔楼在地震作用下的响应反应谱。

文中的某大型固定站雷达主要由天线座架、主阵面天线及各种设备组成，总重量约400 t。其天线座架材料选用Q345，为空间桁架钢结构，由矩形截面的箱形梁螺接拼装而成，直接安装在阵地预构的水泥基座上，总重量约300 t。抗风与抗震力学分析主要针对该天线座架进行。

1 指标及工况

1.1 指标

1)在风速为28.4m/s(10级风)工况下，天线阵面的最大位移≤35 mm，正常工作；

2)在风速为70.0 m/s(国内已知最大风速)工况下，天线不损坏。

1.2 工况

1)无风，只有自重载荷；

2)风速为28.4 m/s(10级风)；

3)风速为70.0 m/s(国内已知最大风速)；

4)积冰时，无风，仅有冰载荷；

5)积冰时，风速为28.4 m/s(10级风)；

6)九度多遇地震。

2 评判标准及分析内容

2.1 评判标准

天线座架主体结构材料选用Q345，其屈服极限为345 MPa，取安全系数1.6，则许用应力为215 MPa。

风载荷根据《建筑结构荷载规范》[5]选取，地震载荷根据《建筑抗震设计规范》[6]选取。天线座架在抗风分析中刚强度满足设计指标要求，在抗震分析中强度满足设计指标要求；天线座架满足《钢结构设计规范》[7]中的结构稳定性要求；螺栓强度满足要求。

2.2 抗风分析

1)通过计算流体力学(CFD)计算风载荷，作为后续分析的输入；

2)通过有限元(FEA)对天线座架进行各种工况下的刚强校核；

3)根据《钢结构设计规范》[7]对构件进行结构稳定性校核；

4)对地脚螺栓和梁连接螺栓进行强度校核。

2.3 抗震分析

1)根据《建筑抗震设计规范》[6]得到地震反应谱曲线，作为抗震分析输入；

2)通过有限元(FEA)对天线座架进行地震反应谱分析。

3 抗风分析

3.1 风载荷分析

由于天线座架尺寸较大，需要考虑风压随高度的变化，因此先按基本风压进行计算，然后再对计算结果按风压随高度的变化进行修正，最后考虑风振的影响。

3.1.1 仿真分析

天线座架所受风载荷由作用在天线座架主体骨架、子阵框架等上的风载荷和作用在反射网上的风载荷2部分组成。计算得到天线座架前部(即天线阵面)和背部(即背部支架)的阻力和升力。

仅考虑主体骨架、子阵框架等结构，建立等效模型(如图1所示)，等效模型的迎风面积与实际一致；考虑积冰(冰层厚13 mm，冰体积约为42 m3)时，根据《军用装备实验室环境试验方法 第22部分：积冰/冻雨试验》[8]，选择适用于陆地的中等负荷，按最恶劣情况(即天线阵面全部被冰层覆盖)考虑，等效模型如图2所示。对于整个天线座架，分别模拟迎风与背风2种情形。

图1 不积冰时，天线座架等效模型图

图2 积冰时，天线座架等效模型图

由于对称性，只计算反射网其中一部分的风载荷，然后将该计算结果扩展到整个阵面。

计算时，选用边界处精度较高的RNG湍流模型。在28.4 m/s迎风状态下，天线座架和反射网的截面风速分布如图3和图4所示。计算得到天线座架在不同风速下所受的风载荷，见表1。

图3 28.4 m/s迎风状态下天线座架风速分布

图4 28.4 m/s迎风状态下反射网风速分布

表1 不同风速条件下天线座架风载荷

3.1.2 风压修正

根据《建筑结构荷载规范》[5]，选择海边环境(A级地面粗糙度等级)对风压进行随高度变化的修正，同时考虑风振的影响，风振系数为1.5。

3.2 天线座架刚强度分析

3.2.1 有限元模型

有限元模型只建立了主支撑结构，其它辅助结构和设备通过载荷的方式加载在主结构的各个节点上。通过一系列的梁单元对天线座架进行模拟，选用Beam188单元，ANSYS中的模型如图5所示。

图5 天线座架有限元模型

3.2.2 边界及加载

天线座架加载示意图如图6所示，其边界条件及所受载荷主要由以下几部分组成：

1)天线座架直接固定在阵地预制的水泥基座上，将天线座架与水泥基座相连接的点作固定约束；

2)天线座架自重载荷；

3)辅助结构和设备通过重力方向作用力的方式加载在主结构的各个节点上；

4)积冰产生的附加重量，以重力方向作用力的方式平均加载在阵面的各个节点上；

5)风载荷等效加载在阵面及后支架的各个节点上，分别考虑迎风与背风2种情形。

图6 天线座架加载示意图

3.2.3 整体有限元分析

图7为天线座架在28.4 m/s风速(迎风)和积冰工况下的位移分布，图8为天线座架在70.0 m/s风速下(背风)的应力分布，表2为天线座架在各工况下的最大位移及应力。位移及应力均能满足设计要求。

图7 在28.4 m/s风速(迎风)和积冰工况下的位移分布

图8 在70.0 m/s风速下(背风)的应力分布

表2 天线座架在各工况下的最大位移及应力

3.2.4 关键部位局部有限元分析

由于梁系整体有限元模型在底座(边界)或多梁交点(交汇)处得到的结果不会太准确，因此需要对底座和多梁交汇处做局部有限元分析。70 m/s迎风工况为最恶劣的工况，通过之前的整体有限元模型计算得到梁端面的载荷大小，作为加载输入，进行局部有限元分析。图9为天线座架底座应力分布图。从对最恶劣工况的分析得知，可通过增加合适的肋条，使各个关键部位满足设计要求。

图9 天线座架底座应力分布图

3.3 天线座架结构稳定性分析

3.3.1 天线座架整体稳定性

在风速为70 m/s的迎风、背风条件下，进行线性屈曲分析，如图10和图11所示。天线座架的整体稳定性系数为4.9，是稳定的。

图10 70.0 m/s迎风条件下的屈曲模态

图11 70.0 m/s背风条件下的屈曲模态

3.3.2 构件整体稳定性

根据《钢结构设计规范》[7]对每个构件进行整体稳定性校核。经计算，在最恶劣的工况下，构件的最大等效应力为110 MPa，因此是符合构件整体稳定性要求的。

3.3.3 构件局部稳定性

该天线座架最大主梁截面为800 mm × 600 mm(高 × 宽)，壁板厚20 mm，根据《钢结构设计规范》[7]，箱形梁的高厚比应满足不等式：

(1)

式中：b0为截面高；t为厚度。

此外，对于宽高比大于80的梁应加横向肋，该天线座架梁截面宽高比均小于80，可不加横向肋。

3.4 螺栓强度分析

3.4.1 地脚螺栓分析

天线座架底部通过预埋地脚螺栓固定在水泥基座上，水泥基座的每个水泥柱上布置有30个M48(小径为42.587mm)地脚螺栓。地脚螺栓的强度等级为8.8级，屈服强度为640 MPa，取1.6倍安全系数，许用应力为400 MPa。通过分析，地脚螺栓所需预紧力为228 kN，最大应力为276 MPa，满足设计要求。

3.4.2 天线座架结构梁连接螺栓分析

天线座架结构梁之间以及结构梁与梁接头之间都采用高强度螺栓连接，分别对每个连接点进行螺栓强度校核。经分析，70.0 m/s背风为最恶劣工况。取拉力最大点(后部支架主梁，拉力F= 2 150 kN)进行分析。该连接处采用24个M36螺栓(小径为31.670 mm)连接，螺栓强度等级为10.9级，屈服强度为900 MPa，取1.6倍安全系数，许用应力为563 MPa。通过分析，螺栓所需预紧力为232 kN，最大应力为530 MPa，满足设计要求。

3.5 抗风分析小结

通过上述分析，在各个工况下，天线座架的刚强度、结构稳定性以及螺栓强度均满足抗风设计要求。

4 抗震分析

4.1 有限元模型

将辅助结构和设备以集中质量的形式加在阵面各个节点上，选用Mass21单元，如图12所示。

图12 抗震分析有限元模型

4.2 地震反应谱

根据《建筑抗震设计规范》[6]规定，地震影响系数随周期变化的反映谱曲线如图13所示。

图13 地震影响系数曲线

取九度多遇地震，此时地震影响系数最大值为0.32g，特征周期取0.4 s，阻尼比取0.02，则此时阻尼调整系数为1.27，衰减指数为0.97，下降斜率调整系数为0.026。

考虑竖向地震为水平向地震的0.65倍，通过有限元法分别计算地震震源在天线座架正面以及侧面2种工况下的反应谱，模态组合方法选择CQC法。

4.3 地震响应分析

天线座架第1阶模态如图14所示，固有频率为1.8 Hz；九度地震下，震源在天线座架侧面时的天线座架应力分布如图15所示，最大应力为46.2 MPa，是安全的。

图14 天线座架第1阶模态

图15 震源(九度地震)在侧面的应力分布

4.4 抗震分析小结

通过上述分析，天线座架在九度多遇地震下的最大应力为46 MPa，满足抗震设计要求。

5 结束语

本文通过力学分析计算对某大型雷达的抗风与抗震能力进行了校核，对天线座架进行了结构优化。结果表明，天线结构具有足够的抗风与抗震稳定性和安全性。

[1] 杨成惠. 国外大型相控阵雷达防护问题探讨[C]//信息产业部雷达专业情报网第十五届年会论文集. 西宁: 信息产业部雷达专业情报网, 2003: 285-289.

[2] 张增太. 风载荷在雷达天线结构设计中的考虑[J]. 现代电子, 1997(4): 58-61.

[3] 吴乐平. 基于ANSYS的某雷达天线结构有限元分析[J]. 电子机械工程, 2010, 26(4): 50-56.

[4] 陈孝珍, 张学军. 某天气雷达站塔楼结构反应谱分析[J]. 陕西工学院学报, 2004, 20(1): 51-54.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[7] 中华人民共和国建设部. GB 50017—2003 钢结构设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2003.

[8] 中国人民解放军总装备部. GJB 150.22A—2009 军用装备实验室环境试验方法 第22部分: 积冰/冻雨试验[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

严 洲(1984-)，男，博士，高级工程师，主要从事雷达总体结构力学分析工作。

Wind-resistance and Aseismatic Mechanics Analysis of a Large Radar

YAN Zhou，YI Zhi-ying，XU Wang，WENG Jun

(BeijingInstituteofRadioMeasurement,Beijing100854,China)

The wind-resistance and aseismatic mechanics performance of a large radar is analyzed in this paper. In the wind-resistance analysis, the wind loads under different work conditions, as input conditions, are calculated by CFD firstly; then the stiffness and strength of the antenna pedestal are checked by FEA and its structure stability is also checked according to the specifications; at last, the bolt strength is checked. In the aseismatic analysis, the response spectrum of the antenna pedestal under 9 degree frequent earthquake is analyzed by FEA. The structure optimization for the antenna pedestal is carried out based on the wind-resistance and aseismatic mechanics analysis. The results show that the stability and safety of the antenna pedestal meet the design requirements.

large radar; wind-resistance and aseismatic mechanics analysis; CFD; FEA

2016-08-05

TP391.77

A

1008-5300(2016)06-0060-05