基于MSC.Patran/Nastran的雷达机箱隔振缓冲系统仿真分析

孙艳芬

(常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164)



基于MSC.Patran/Nastran的雷达机箱隔振缓冲系统仿真分析

孙艳芬

(常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164)

以某型雷达发射机机箱结构为研究对象，在装配底部应力减振器的基础上，分析计算了机箱隔振缓冲系统的刚度及阻尼，并利用仿真软件MSC.Patran/Nastran对机箱进行了有限元建模和动力学分析，得到了机箱随机振动、冲击等仿真计算结果。结果表明，机箱的减振结构设计符合机械环境技术条件和隔振缓冲要求。

机箱；隔振缓冲；MSC.Patran/Nastran；仿真分析

雷达发射机是雷达的核心系统之一。机箱作为发射机的支承结构，不仅在体积、质量上有特定的要求，而且还要有足够的强度和刚度，以确保发射机在实际使用或运输过程中完好无损，并能可靠工作。当结构自身不能有效地克服因振动和冲击等机械力引起的材料疲劳、结构谐振等影响时，则要求采取减振与缓冲措施[1]。隔振缓冲方案的确定对隔振效果有着直接影响，如果系统刚度及阻尼等参数设计不合理，对振动反而有放大作用，这将损害到机箱设备。以往隔振或缓冲系统单方面考虑对机箱的影响，这样的系统在承受振动和冲击双重作用时，机箱容易较早出现损害。

本文从实际项目设计需求出发，在装配底部应力减振器的基础上，研究了适用于本应用环境的隔振缓冲系统，并在理论分析的基础上应用仿真工具对其进行响应分析，证明了其能使机箱满足特定的环境应用条件。该设计思路简单、实用，具有一定的推广应用价值。

1　总体设计思路

雷达发射机主要由机箱、行波管、高压电源变换器和分机控制盒等功能单元组成。其中，机箱主要包括前、后、左、右、上、下盖板以及框架等，其三维示意图如图1所示，各模块相对位置排布如图2所示，各模块通过锁紧条及螺钉固定在机箱内部。

图1　三维机箱结构示意图

图2　各模块排布示意图

本文以发射机机箱的结构为研究对象，根据机械环境技术条件和隔振缓冲要求配装减振器，计算分析减振器对机箱刚度、阻尼的改进作用，并利用仿真软件MSC.Patran/Nastran对机箱进行有限元建模和动力学分析。

2　机箱隔振缓冲系统刚度、阻尼设计

雷达发射机机箱的外形尺寸为480 mm×280 mm×330 mm。机箱质量m为42 kg，其质心位置如图3所示。

图3　机箱质心位置示意图

基于机箱减振的客观需求，将4只相同的减振器分别安装在设备的4个底角。设备要求在工作频率fP为15 Hz的正弦激励条件下，隔振效率为70%；在幅值为3g(g为重力加速度，下同)、冲击时间为11 ms的正弦脉冲激励条件下，其最大加速度≤5g，最大加速度位移≤7 mm。

根据上述要求，首先求解该系统减振器的刚度和阻尼，随后分析配装减振器的机箱在振动和冲击激励下的响应[2]。

2.1系统刚度设计

取频率比γ=3，则隔振系统的固有频率ωn为：

式中，P是相位速度。

隔振系统的弹簧刚度为：

4个减振器承担的机箱质量分别为：

将b1=b2=240mm，c1=135mm，c2=145mm代入上式，得到：P1=10.875kg，P2=10.125kg，P3=10.125kg，P4=10.875kg。则每个减振器的弹簧刚度ki(4只减振器为同款型号，且均匀分布，因此，假设其刚度相同)为：

(i=1,2,3,4)

2.2系统阻尼设计

系统的隔振系数ηA为：

式中，ξ为系统阻尼比。由ηA=1-0.7=0.3，γ=3，得：ξ=0.38。

减振器阻尼c为：c=ξco=ξ·2mωn=1 002.23N/(m/s)。

假设4只减振器为均匀阻尼分布，则每只减振器的阻尼为：

2.3设备校核

有效持续时间tr为：

式中，t0是冲击时间。

阶跃速度为：

式中，Um是冲击加速度。

根据设备所能承受的最大允许加速度，应有：

根据冲击缓冲器的最大允许变形量，应有：

式中，δm是最大变形量；[δa]是最大允许变形量。则，固有频率为：

校核设备所受的最大加速度和缓冲器的最大变形量为：

由上述理论计算结果可以得出结论：配装减振器的机箱符合相应试验要求。

3　简化建模

在仿真软件中建立机箱模型，此时可以对机箱各单元零件进行简化建模。其中，机箱盖板等用壳单元简化；行波管、高压电源变换器和分机控制盒等用集中质量点简化。减振器采用弹簧单元模拟，每个方向采用1个弹簧单元并连到基础上，随后使用刚性单元将基础上的所有节点与编号为5440的节点连接在一起。简化的有限元模型如图4所示(k1、k2和k3代表坐标矢量)。

图4　带减振器的机箱有限元模型

4　机箱有限元分析

4.1随机振动分析

对该机箱有限元模型进行随机振动分析，振动类型为宽带随机谱上迭加窄带尖峰，施加激励方向为Z向，随机振动谱如图5所示。激励和约束施加在节点5440处。对未加入减振器和加入减振器后的机箱进行加速度和加速度位移响应分析。

图5　随机振动谱

取基础节点(5440)、行波管质量点(5441)进行分析。未加入减振器的机箱加速度响应曲线如图6所示，加入减振器的机箱加速度响应曲线如图7所示。

图6　未加入减振器时加速度响应曲线

图7　加入减振器时加速度响应曲线

根据响应曲线值，可计算基础节点的加速度响应均方根值为4.986g，其代表系统输入的加速度均方根值。未加入减振器时，计算得到行波管质量点的加速度响应均方根值为10.72g；加入减振器后，计算得到行波管质量点的加速度响应均方根值为0.037 45g。由此可以得出，加入减振器可以大大减小系统的加速度响应，对机箱结构和行波管等器件起到防护作用。

4.2冲击响应分析

冲击响应分析采用经典半正弦冲击波形，冲击加速度为3g，冲击持续时间为11 ms，分析时间为33 ms，波形图如图8所示。激励和约束施加在节点5440处，幅度已归一化处理。对未加入减振器和加入减振器后的机箱进行冲击激励下的加速度响应分析。

图8　半正弦波

取基础节点(5440)、行波管质量点(5441)进行分析。未加入减振器时加速度响应曲线如图9所示，加入减振器时加速度响应曲线如图10所示。

图9　未加入减振器时加速度响应曲线

图10　加入减振器时加速度响应曲线

由图9和图10可以看出，当未加入减振器时，行波管质量点的加速度最大值为38 m/s2，大于冲击脉冲峰值(30 m/s2)，冲击时间结束后，加速度曲线开始衰减；当加入减振器后，行波管质量点的加速度最大值为6 m/s2，小于冲击脉冲峰值(30 m/s2)。可见，加入减振器后，对减小系统的加速度响应峰值能起到很好的缓冲作用[3]。

未加入减振器时和加入减振器后加速度位移响应曲线如图11和图12所示。由图11和图12可以看出，未加入减振器时，行波管质量点的加速度位移(相对于节点5440)的最大值为0.04 mm，冲击时间结束后，响应曲线开始迅速衰减；加入减振器后，行波管质量点的加速度位移最大值为6 mm，此值远大于未加入减振器时的加速度位移响应。这是因为加入弹性装置减振器后，基础和机箱之间的连接不是完全的刚性连接，在冲击激励下，会产生比较大的加速度位移，但此值满足系统设计的要求(7 mm)；因此，设计出的刚度和阻尼满足要求。

图11　未加入减振器时加速度位移响应曲线

图12　加入减振器后加速度位移响应曲线

5　结语

通过以上分析，可以得出以下结论。

1)设计的减振器刚度和阻尼能够满足设计要求，对系统起到一定的隔振缓冲作用[4]。在冲击作用下，行波管质量点的加速度最大值为6 m/s2，小于冲击脉冲峰值(30 m/s2)；相对位移最大值为6 mm，满足系统的设计要求。

2)加入减振器后，在冲击作用下，会增大设备的相对位移，有可能会超过设备允许的变形范围，甚至超过减振器本身的变形能力；因此，在隔振缓冲系统的设计过程中，要考虑设备的最大相对位移，在必要的情况下，可以通过加入弹性限位器来减小设备的相对位移。

[1] 马爱军，周传月，王旭等.Patran和Nastran有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] 张永昌.MSC.Nastran有限元分析理论基础与应用[M]. 北京：科学出版社，2004.

[3] 张润逵，戚仁欣，张树熊等.雷达结构与工艺[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] 陈勇，一种雷达高精度轴系设计[J]. 新技术新工艺，2015(5):47-49.

责任编辑郑练

Simulation Analysis of the Radar Chassis Vibration Isolation Buffer System based on MSC.Patran/Nastran

SUN Yanfen

(Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China)

A radar emission chassis structure is studied as the research object. After having analyzed and calculated the stiffness and damp of the chassis vibration isolation buffer system on the basis of assembling the shock absorber on the bottom, the simulation calculation results of chassis random vibration, impact, etc. have been got through finite element modeling and dynamic analysis by MSC.Patran/Nastran simulation software. The results show that the design of the vibration reduction structure of the chassis meets the requirement of the mechanical environment condition and vibration isolation buffer.

chassis, vibration isolation buffer, MSC.Patran/Nastran, simulation analysis

TB 21

A

孙艳芬(1980-)，女，讲师，主要从事机械制造及结构设计等方面的研究。

2016-04-28