高机动雷达载车平台结构强度分析与优化*

侯守武，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)

高机动雷达载车平台结构强度分析与优化*

侯守武，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)

文中采用边界位移补偿法优化某高机动雷达载车平台多撑腿结构强度。通过调整撑腿的边界位移，分析不同载荷工况下影响载车平台强度的因素，优化载车平台撑腿调平方案，提高结构强度性能。仿真结果表明，优化方案显著提高载车平台的强度性能，满足雷达载车平台风载荷环境下的强度要求。

高机动雷达；载车平台；强度优化；边界位移补偿法

引 言

高机动车载雷达由于具有良好的机动性能，被广泛应用于军事领域对飞行目标的探测。随着雷达天线跨度和高度的增加，高机动雷达在恶劣的工作环境中承受风载荷越来越大，风载荷不仅对天线阵面精度产生较大的影响，而且对雷达载车的强度也提出更高要求。

许多学者研究了多种机动雷达载车平台的结构优化方法来增强载车平台的结构强度。文献[1]利用有限元法分析了雷达载车风载环境下的应力，采用加筋和局部板加厚的方法降低了载车平台的结构应力文献[2]基于ANSYS软件建立某雷达载车平台有限元模型，对不同工况进行静力学分析，确定了载车平台结构强度优化方案；文献[3]对雷达车车架撑腿进行了拓扑优化设计，保证刚强度的条件下进行了轻量化研究。通过增强结构的强度薄弱区域，可有效降低结构的局部应力。本文针对某型高机动雷达载车平台多撑腿结构，优化撑腿调平方案，改变撑腿承力方式，在不改变载车平台结构形式的前提下提高载车的强度。

针对多撑腿雷达载车边界条件难以模拟分析的情况，本文提出边界位移补偿法，模拟自重初始状态撑腿调平的位移量，分析不同风载工况下影响载车平台强度的主要因素，优化载车撑腿调平策略，数值仿真结果表明，优化后的载车平台结构强度有明显提升，抗风性能亦有大幅提高。

1 机动雷达载车结构模型

本文分析的高机动雷达主要包括载车平台、转台、天线、背架、背撑等部件，鉴于本文主要关注的是载车平台的强度，在建模时只对载车平台进行精细化建模，而转台、天线、背架、背撑等上装部件则简化为集中质量，通过刚性单元与载车平台连接。考虑风载荷对载车平台的影响，在风力中心建立节点，采用刚性单元连接载车平台。撑腿采用体单元模拟，腔体、肋板等用壳单元模拟，载车平台上的机械和电子设备采用集中质

量模拟。整个有限元模型包含了19674 个体单元、112 592 个壳单元和2 674 个质量单元，共133 122 个节点。

图1给出了载车平台和上装的简化模型。为便于描述，将撑腿进行了编号，其中撑腿1～4为主撑腿，5～14为辅助撑腿。

图1 载车平台结构有限元模型

2 载车平台结构强度影响因素分析

2.1 载车平台自重工况分析

载车平台自重工况为天线位于工作位置时的初始状态，此时仅主撑腿1、2、3、4起支撑作用，辅助撑腿初始接地，其在重力作用下的变形如图2所示。

图2 自重工况载车平台结构变形

撑腿编号位移/mm1，203，405，6-16．87，84．09，10-18．311，12-15．113，14-0．5

由表1中的计算结果可知，自重工况下，辅助撑腿5、6、9、10、11、12、13、14竖直方向位移为负，表明相对于初始模型，以上撑腿发生下移，而撑腿7和8上抬。为模拟自重工况载车平台的姿态及撑腿的结构和姿态，传统做法是在撑腿上增删单元或调整单元节点位置[4]。但该方法在分析撑腿边界位移对结构强度影响时需不断更改单元模型，从而使计算成本增加。本文利用边界位移补偿法能够简化分析过程，即根据载车平台在初始工况下的撑腿位移确定风载环境的边界条件，以补偿边界位移保证载车平台的姿态，通过重新定义边界条件避免了模型修改的过程。

2.2 不同风载工况下载车平台强度分析

通过计算不同风向作用时载车平台的强度，找出结构应力薄弱区域，分析影响应力的关键因素，为优化设计提供依据和参考。本文分析恒定风载为12 吨，风向分别为0 °、90°、180°典型工况下的载车平台结构强度。

图3～图5分别给出了风向为0°、90°、180°时载车平台的变形分布和应力较大区域的应力分布。由图可知，风载沿0°方向时，转盘前侧的主承重梁向下弯曲，主撑腿3和4 根部的应力较大，最大应力560 MPa；风载沿90°方向时，中间辅助撑腿弯曲变形较大，辅助撑腿9和10根部的上下表面应力较大，最大应力479 MPa；风载沿180°方向时，转盘后侧的主承重梁向下弯曲，辅助撑腿7和8 根部及主承力梁弯曲过渡处应力较大，最大应力529 MPa。

图3 风载沿0°方向时载车平台的变形和局部应力分布图

图4 风载沿90°方向时载车平台的变形和局部应力分布图

图5 风载沿180°方向时载车平台的变形和局部应力分布图

2.3 支撑腿边界对结构应力的影响分析

根据载车平台在不同工况下的变形和应力分布特点，调整靠近载车平台变形的辅助撑腿边界位移，分析辅助撑腿边界位移的变化对结构应力的影响。

根据上一节的计算结果可知，0°方向风载时，转盘前侧的主承重梁向下弯曲，主撑腿3和4根部的应力较大，对结构变形应力影响较大的是撑腿3、4、5，6，13和14； 90°方向风载时，中间辅助撑腿的变形和应力较大，对变形和应力影响较大的是腿5、6、9和10； 180°方向风载时，转盘后侧的主承重梁向下弯曲，辅助撑腿7和8根部及主承力梁弯曲过渡处应力较大，对结构变形和应力影响较大的是腿3、4、5、6、7、8、9和10。由于主撑腿兼具调平作用，在对撑腿影响因素分析时，仅考虑辅助撑腿边界位移变化对载车平台应力的影响。表2给出了不同方案下载车平台结构的最大应力。

表2 不同方案各工况下撑腿边界变化时载车平台结构应力

由表2的计算结果可知，0°风载时，对最大应力影响较大的是辅助撑腿13和14，180°风载时，对应力影响较大的是辅助撑腿5和6；辅助撑腿5和6边界位移上移，可有效降低180°风载时的最大应力，但同时会增大0°和90°风载时的最大应力。

3 载车结构强度优化

通过分析辅助撑腿边界位移的变化对风载环境下载车平台强度的影响，确定采用的辅助撑腿边界方案为：撑腿5和6边界位移上移6 mm，撑腿9和10边界位移上移10 mm，撑腿13和14上移2 mm。

以优化后的位移作为风载工况下的边界条件，不同风载下的计算结果见图6～图8。根据计算结果可知，风载沿0°方向时，最大应力401 MPa，位于与主撑腿3和4相连的主梁侧板；风载沿90°方向时，最大应力452 MPa，位于辅助撑腿9根部的上下表面；风载沿180°方向时，最大应力463 MPa，较大的应力分布于辅助撑腿7和8根部及主承力梁弯曲过渡处。

图6 风载沿0°方向时载车平台的变形和局部应力分布图

图7 风载沿90°方向时载车平台的变形和局部应力分布图

图8 风载沿180°方向时载车平台的变形和局部应力分布图

对比载车平台在优化前后边界位移下的变形和应力分布图可知，相同风载工况下，载车平台的变形和应力较大的区域分布位置相似，最大变形和应力均有不同程度的降低，0°风载时最大应力降低了28.4%，90°风载时最大应力降低了5.6%，180°风载时最大应力降低了12.5%。载车平台的最大应力为463 MPa，对于高强钢Domex700，可以实现1.5的安全系数。

4 结束语

本文提出边界位移补偿法，以高机动雷达载车自重时的撑腿变形作为风载工况下的边界位移，分析了不同风载工况下载车撑腿位移变化对载车平台强度的影响，确定了一套载车辅助撑腿的调平方案，通过对比优化前后的变形和应力，得到以下结论：

1)采用优化的调平方案，相同风载工况下的应力和变形均有不同程度的下降，最大应力至少降低了5.6%；

2)优化的调平方案显著降低了载车平台的变形和应力大小，但不影响载车平台的变形和应力分布区域，结构强度薄弱环节优化设计同样适用于本文优化的调平方案。

[1] 侯健. 有限元建模技术研究及雷达车天线结构有限元分析[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2010.

[2] 张迎滨. 基于ANSYS 的雷达车载平台结构优化与试验[C] // 2011年机械电子学学术会议论文集, 2011: 117-119.

[3] 佘高翔. 基于拓扑优化和高强钢应用的雷达车车架轻量化设计研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2010.

[4] 李钊, 王志海. 大型车载雷达抗风稳定性研究[J]. 电子机械工程, 2015, 31(3): 11-15.

侯守武(1980-)，男，工程师，主要从事雷达结构力学仿真与试验工作。

The Strength Analysis and Optimization of the High Mobility Radar Vehicle

HOU Shou-wu，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In this paper, the boundary displacement compensation method is used to optimize the multi-support-leg of a high mobility radar vehicle platform. By modifying the boundary displacements of the supporting legs, main factors affecting the strength of vehicle platform are analyzed under different load conditions , leveling scheme of support-leg is optimized to improve the structure strength. Numerical results show that the optimized scheme is an effective method for enhancing the strength of vehicle platform. The vehicle platform with optimized leveling scheme can meet the strength requirements in wind load environment.

high mobility radar; vehicle platform; strength optimum; boundary displacement compensation method

2016-03-22

TH123+.3

A

1008-5300(2016)03-0060-04