基于轻量化的舰载雷达稳定平台的设计与特性分析研究

薛 珊，孟宪宇，赵运来，贾 冰，吕琼莹

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

基于轻量化的舰载雷达稳定平台的设计与特性分析研究

薛 珊，孟宪宇，赵运来，贾 冰，吕琼莹

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

为了使舰载雷达隔绝船摇，进行了雷达稳定平台的初始设计。为了能够轻量化，提高刚度，提高抗冲击性能，更好的满足国军标，提出了一种改进设计。分别对初始设计和改进设计的平台运用Creo软件进行了数字化建模。将所建模型导入ANSYS软件中，建立有限元模型，对两种设计进行了有限元分析，包括静态特性分析和动态特性分析。其中动态特性分析包括模态分析、谐响应分析、谱分析。分析结果对比表明改进设计质量减轻了21%，一阶固有频率提高了48%，大大提高了刚度，在美军标的海浪冲击下，所设计的改进平台变形量小于1mm，刚度、强度都符合要求，抗冲击性也符合要求，为雷达稳定平台的设计及优化提供了参考。

雷达稳定平台；轻量化；动态特性分析；谱分析

0　引言

舰载雷达越来越多的用于提高军舰的生存能力、侦查能力和反侦察能力。舰载雷达在工作过程中经常会受到海浪冲击等干扰因素产生的振动与冲击作用，在如此严峻的环境下工作，舰载雷达的安全性和可靠性逐渐引起了人们的关注［1，2］。

雷达稳定平台是支撑雷达的关键部位，它可以使雷达隔绝船摇，通过它实现了雷达的转向、快速定位等功能，也是承受舰船振动和冲击的主要部位。雷达稳定平台在静态、动态冲击下的刚度和强度的好坏直接影响着雷达系统的运转和定位的精度［3］。因此如何使雷达稳定平台轻量化，提高其刚度、强度，提高其抗冲击性能成为研究热点问题。

本文针对某型舰载雷达进行了雷达稳定平台设计。为了能够轻量化，提高刚度，提高强度，提出了改进设计。运用Creo软件进行了两种设计的数字化建模，比较其质量。对两种设计进行有限元建模，进行静力学分析、模态分析、谐响应分析、谱分析。并对分析结果进行对比，来确定改进设计静、动态特性是否提高。

1　舰载雷达稳定平台的设计

1.1舰载雷达稳定平台的设计要求

舰载雷达稳定平台是舰载雷达系统的重要组成部分，对其设计的主要要求：

1）实现功能，能够使雷达完成绕方位轴和俯仰轴进行转动；2）静态下能够满足国军标的刚度和强度要求；3）动态下满足国军标的刚度和强度要求。

综合国军标要求，即综合G J B 4 4 0.2-8 8、GJB1060.1-91、GJB150.16A-2009、GJB1446.63-92、GJB150.18A-2009等国军标要求，舰载雷达稳定平台安装于甲板上，国军标对所设计的雷达稳定平台的具体要求：

1）在1～60Hz内不发生共振，变形量不超过1mm；2）稳定性试验中变形量小于0.15mm，满足强度校核；3）在国军标冲击谱冲击下，变形量不超过1mm，最好能够在美军标冲击谱冲击下，变形量不超过1mm。

1.2舰载雷达稳定平台的初始设计和改进设计

1.2.1初始设计

初始设计的雷达稳定平台主要包括方位部分、俯仰部分、负载平台、底座等。方位部分主要包括方位轴及方位轴外壳、方位轴内转子、力矩定子及转子、编码器、轴承、螺栓、陀螺仪等。俯仰部分主要包括俯仰轴及俯仰轴外壳、俯仰轴内转子、力矩定子及转子、轴承、螺栓、陀螺仪等。

初始设计的雷达稳定平台的工作过程：由方位轴电机带动方位部分进行转动，同时带动与方位轴连接的整个俯仰部分绕方位轴转动。俯仰轴电机带动整个俯仰部分绕着俯仰轴转动，从而使负载平台即可以绕着方位轴转动，又可以绕着俯仰轴转动。最终实现了雷达稳定平台的功能要求：负载平台既可以即绕着方位轴转动，也可以绕着俯仰轴转动。

运用Creo2.0软件对初始设计的平台进行了数字化建模，其外形和结构示意图如图1所示。

图1　初始设计的平台的外形及结构示意图

1.2.2改进设计

为了能够轻量化，提高刚度，提高抗冲击性能，更好的满足国军标，提出了一种改进设计。改进设计对外形和选取的材料进行了改变。对于传动方式和工作原理没有进行改变。将方位轴外壳和俯仰轴外壳设计成八边形，并将其材料更换为硬铝，同时将内部支撑圈等结构换为硬铝，以减轻稳定平台重量。改进设计的外形及结构示意图如图2所示。

由Creo模型可测得初始设计的平台总重量为196kg，改进设计的平台的总重量为155kg。改进设计的平台比初始设计的平台质量减轻了41kg，减轻了21%。

图2　改进设计的平台的结构示意图

2　舰载雷达稳定平台有限元模型的建立

2.1简化模型

本文所设计的雷达稳定平台尺寸较大，零件较多，且连接关系较为复杂，因此为了减少计算时间，在不影响计算精度情况下必须对模型进行简化。在Creo中把整个模型的倒角、圆角以及直径小于2mm的孔去掉，将编码器等不受力的零件简化为一体，得到简化模型，如图1（b）和图2（b）所示。

2.2材料属性

初始设计的平台的有限元模型中将平台中的编码器、陀螺仪等不承受力的零件设置为硬铝，将俯仰轴壳子、方位轴壳子、内部支撑圈设置为硬铝，密度为2793.5kg/m3，杨氏模量为0.7GPa，泊松比为0.33；其余零件均为钢，密度为7850kg/m3，杨氏模量为2GPa，泊松比为0.3。

2.3网格划分

进行分析前最重要的步骤之一就是划分网格，网格划分的好坏将直接影响计算结果的精度［4］。理论上网格越精细结果越精确，但当网格小到一定程度会出现应力奇异现象。本文采用的是六面体主导的网格，并对关键部件进行了细化，最终网格的畸变度为0.41。

3　稳定平台的有限元分析

3.1静力学分析

静力学分析是工程中最常用、应用最广泛的一种分析方法。在对稳定平台进行动态特性分析前应先进行静载荷分析［5］。运用ANSYS软件在负载平台上加100N的力模仿雷达重量，分别对初始设计平台的负载平台的各个姿态进行分析，将所有结果数值导入MATLAB中绘制图像，得到了随俯仰角度变化的最大应力和最大变形曲线，结果如图3和图4所示。

图3　初始设计平台的最大应力/俯仰角度曲线

图4　初始设计平台的最大变形量/俯仰角度曲线

从图中可以看出初始设计平台的负载平台竖直时，即俯仰角度为0°时，平台受力最大，变形量也最大。改进设计平台的受力变形的趋势和初始设计类似，这里不再出图。俯仰角度为0°时，两种设计的静力学分析结果如图5、图6所示。

图5　俯仰角度0°时初始设计平台的应力云图和变形图

图6　俯仰角度0°时改进设计平台的应力云图和变形图

由图中可得，两种设计的最大应力为3.60MPa和3.68MPa，远小于材料的屈服极限340MPa，最大变形量为0.0137mm和0.0147mm，小于军标要求的0.15mm，可见其刚度和强度是满足要求的。

3.2模态分析

模态分析是动态特征分析中最基础和重要的部分，是研究结构动态特性的一种现代方法，是各种产品的结构设计和性能评估的一个强有力的工具。通过模态分析可以得出系统的固有频率、振型、相对变形量等特性，从而可以进行刚度分析和避免系统共振［6］。

由弹性力学的变分原理，经分析可得稳定平台的运动平衡方程为：

式中［M］为质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵；｛P（t）｝为外力函数矢量；｛N｝为与和｛u｝相关的非线性外力项矢量；［Q］为边界约束反力矢量；｛u｝为位移向量；为速度向量；为加速度向量。

为了求解平台自由振动的固有频率和振型，即稳定平台的固有频率和振型时，令外力和阻尼均为0。令式（1）右边为0，得：

其对应的特征方程为：

式中ω为固有频率。由于系统自由振动的振幅不能为零，则有：

由于负载雷达在俯仰角度不同时系统的固有频率不相同，因此分别对初始设计的平台在各个不同俯仰角度时，即不同姿态时进行模态分析。由于低阶振型对结构的动态特性有着重要影响，通常低阶振型比高阶振型影响要大得多［7］，因此特别把每种姿态的一阶固有频率提取出来绘成图像，如图7所示。

图7　一阶模态值/俯仰角度曲线

从图中可以看出俯仰角度为10°时固有频率最低。按照此趋势，分别分析了两种设计的平台，当俯仰角为10°时的模态分析。两种设计的平台一阶模态分析结果如图8和图9所示，它们的各阶固有频率对比表如表1所示。

图8　初始设计的平台的一阶模态

图9　改进设计的平台的一阶模态

表1　初始设计和改进设计的平台各阶固有频率对比表

如表1所示，初始设计和改进设计的平台的一阶固有频率分别为80.29Hz和118.47Hz，均符合国军标要求的在60Hz以内不得发生共振的要求。改进设计的平台的一阶固有频率比初始设计的平台的一阶固有频率提高了38.18Hz，提高了48%，刚度大大提高了，改进效果显著。

3.3谐响应分析

谐响应分析是时域分析，用于确定系统结构在承受随时间按正弦规律变化载荷时的稳态响应［8］。通过谐响应分析可以得到幅频特性曲线，曲线上的峰值点可以确定系统的共振点；还可以得到系统的持续动态性能。

本文运用ANSYS软件分别对初始设计和改进设计的平台进行了谐响应分析。分析结果如图10和图11所示。

图10　初始设计的平台的幅频特性曲线

图11　改进设计的平台的幅频特性曲线

从图10和图11中可以看出，初始设计的平台发生第一次共振在80Hz处，变形量为2.5×10-7mm。改进设计的平台发生第一次共振在118Hz处，变形量为6.8×10-5mm。

谐响应分析结果和模态分析结果保持一致，互相印证；并且可以看出平台在0～60Hz内没有发生共振，且变形远小于1mm，满足设计要求。

3.4谱分析

对舰船设备进行抗冲击分析是舰船设备设计不可缺少的部分。常用的方法有静态G法、时域动态分析法、基于冲击谱的响应分析法［9］。美国海军进行了一系列的实验得到了基于冲击谱的响应分析法的DDAM谱分析，现已经被广泛用于舰船设备的抗冲击分析。我国国军标GJB1060.1-91规定的动力学分析方法就是直接来自美国相关标准的一维DDAM，即美军标比国军标要求更高。

本文采用的是美军标下的DDAM谱分析的方法对所设计的两种稳定平台进行抗冲击分析。分析结果如图12和图13所示。

图12　初始设计的平台的总变形云图

从图12和图13可以看出在DDAM谱分析下初始设计和改进设计的稳定平台的最大变形量分别为0.32mm和 0.55mm，均小于1mm，符合军标要求，说明所设计的雷达稳定平台的抗冲击性能很好。

图13　改进设计的平台的总变形云图

4　结论

1）针对舰载雷达进行了雷达稳定平台初始设计和改进设计。运用Creo软件分别进行了两种设计的数字化建模，通过比较，改进设计的平台比初始设计的平台质量减轻了21%，实现了轻量化。

2）分别对两种设计的平台进行了静态特性分析，结果表明两种设计均符合刚度和强度要求。

3）分别对两种设计的平台进行了动态特性分析，包括模态分析、谐响应分析和谱分析。模态分析结果和谐响应分析结果互相印证，表明改进设计的平台一阶固有频率提高了48%，刚度大大提高。谱分析结果表明改进设计的平台抗冲击性能良好。

改进设计的平台符合静态、动态下的刚度和强度要求，以及抗冲击性要求；同时实现了轻量化，大大提高了刚度；为同类平台的设计和优化提供了参考。

［1］ 孙颖.某高机动雷达稳定平台系统结构设计及优化［D］.南京理工大学，2010.4.

［2］ 沈春元，郁圣杰.舰载雷达稳定平台系统受计算和有限元分析［J］.雷达与对抗，2011（2）：67-71.

［3］ Zai Behzad Ahmed，Sami Saad，Khan M Amir，Ahmad Furqan，and Park Myung Kyun.Prediction of Vibration Characteristics in Beam Structure Using Sub-Scale Modeling with Experimental Validation［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering.2015（28）：928-934.

［4］ 洪长满，段勇军.机载雷达天线结构的刚强度性能评估［J］.现代雷达，2011（6）：72-75.

［5］ 沈嵘枫.基于轻量化的运材跑车齿轮减速机构设计［J］.华中科技大学学报，2012（40）：98-101.

［6］ 于天彪，王学智，关鹏，王宛山.超高速磨削机床主轴系统模态分析［J］.机械工程学报，2012（17）：183-188.

［7］ 王民，张新云，昝涛，等.基于ANSYS的国产数控机床高速电主轴的仿真分析［J］.北京工业大学学报，2012（7）：988-991.

［8］ 刘辉，项昌乐，孙恬恬.车辆动力传动系统弯扭耦合振动模型的建立及复模态分析［J］.机械工程学报，2010（24）：67-74.

［9］ 吴泽刚.盘式振动干燥机的动态特性研究［D］.东北大学，2010，6.

5）项目管理数据报表

将CATIA导出的项目总信息报表和ACCESS导出的项目文件报表，以零件图号为关键字，通过Excel运算将两个信息表进行合并，形成项目管理的数据报表。报表将设计端和工艺端的信息紧密联系在一起，便数据的比较分析；通过该数据报表，可以快速得出无损清单、表处清单，核查交接文件提交情况，避免了很多无效的人力劳动。项目管理报表如图5所示。

图5　项目管理报表

3　结束语

本项目通过联合CATIA、ACCESS、Excel开发多个功能模块，使得从设计端数模信息提取到制造端工艺文件管理整个过程都自动化进行，大大提高工作效率。最后，将整个项目的信息汇总形成项目管理报表，使项目管理过程中的数据都显性的展示出来，解决以往由于数据管理混乱造成的诸多项目管理问题，降低了项目管理的难度，提高了项目管理的效率；本文关于文件管理的思路具有独创性与普适性，可以推广到类似的文件管理项目中，具有很高的推广应用价值。

参考文献：

［1］ 刘顺涛.基于CATIA二次开发的数模信息提取及组织技术的研究［J］.航空制造技术，2014，19.

［2］ 胡挺，吴立军.CATIA二次开发技术基础［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］ 叶恺.Access2010数据库案例教程［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［4］ 王欣.Excel实用教程［M］.北京：中国传媒大学出版社，2012.

Design and characteristics analysis of shipborne radar stabilized platform based on lightweight

XUE Shan， MENG Xian-yu， ZHAO Yun-lai， JIA Bing， LYU Qiong-ying

TH12

A

1009-0134（2016）10-0133-05

2016-08-12

吉林省科技发展计划项目（20126017）；吉林省科技厅重点科技攻关项目（20160204015GX）

薛珊（1978 -），女，副教授，博士，研究方向为结构设计与分析。