某天线骨架的减重优化设计及动力学数值模拟

宋骏琛,吴 佳,李维忠,庄文许

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)



某天线骨架的减重优化设计及动力学数值模拟

宋骏琛,吴 佳,李维忠,庄文许

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)

针对某天线骨架减重优化的设计要求,进行了极端环境下的结构减重优化设计及数值模拟分析。在workbench软件中建立骨架的三维有限元模型。在模态分析的基础上,依据军用设备环境试验的标准,用时域瞬态分析法对其进行了3方向的冲击分析,算例数值模拟结果显示可以对相关结构件进行减重优化。优化后的骨架质量减轻了25%,对减重后的骨架再次进行数值模拟分析,结果表明应力变形响应均在材料的屈服强度和抗拉强度范围之内,满足抗冲击环境要求。

雷达;天线骨架;workbench;减重优化;动力学

0 引 言

作为雷达天线系统的关键结构部件,骨架起到了至关重要的作用。非接触水下爆炸是舰船主要的冲击环境来源,舰船上的天线骨架遭受冲击可导致无法正常运转,甚至整个雷达失去战斗力。随着水中兵器的发展,爆炸冲击持续时间会明显地增加,舰艇及其天线系统设备遭受的威胁越来越严重。所以,增强舰船雷达天线系统设备的抗冲击性能已成为新型舰船的迫切需要[1]。

受整机质量的限制,天线系统的骨架质量会受到一定的约束,有必要对骨架进行轻量化设计。然而,质量的降低会导致整个结构刚强度性能的下降。所以,选择合适的减重方式对整个骨架刚强度性能的保证极其重要。

1 振动数学模型

在NX软件中对骨架进行三维建模。图1为骨架三维模型。忽略螺纹孔、倒角、密封槽等对算例结果影响微小的细节特征,对底面法兰盘及斜面等各零件模型进行装配,接触面之间采用绑定约束。采用实体网格四面体单元(mesh200)进行划分。材料的密度ρ=2770 kg/m3,泊松比μ=0.33,杨氏模量E=71000 MPa。

图1 初步设计的骨架三维模型

2 数值算例分析

2.1 模态分析

模态分析用于确定设计结构的振动特性,即结构的固有频率及振型。它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数,同时也是瞬态响应分析、谐响应分析等动力学分析的基础[2]。对骨架结构进行模态分析也是进行瞬态动力学分析等所必需的前期分析过程。根据弹性力学理论[3],动力学微分方程为

(1)

式中,M、C、K分别为质量、阻尼、刚度矩阵;X(t)、F(t)分别为位移向量和外加载荷,即激振力向量。一般的模态分析为不受任何附加载荷的无阻尼自由振动分析,故这里C、F(t)都为零。得出来的方程为

(2)

这里设方程的解为简谐振动,再根据对应的特征方程和考虑到自由振动时振幅不全为零的情况,得出下式:

(3)

方程的解wi为转子系统固有频率。利用模态分析模块进行迭代求解,求得骨架模态云图。根据工作频率在100 Hz以内的设计要求,对底面螺纹孔处进行约束,取前四阶模态进行分析。

骨架的第一阶模态为40.91 Hz,第二阶模态为41.50 Hz,第三阶模态为46.96 Hz,第四阶模态为56.43 Hz,有效模态质量为0.31 t。

2.2 冲击分析

在本算例中,约束载荷为底面螺纹孔。依据文献[4-5],安装区域的冲击响应谱如下所示:

式(4)中的A0、V0和D0分别是模型对应的冲击谱中的等加速度谱、等速度谱和等位移谱。加速度可用双三角时域曲线如图2表示。计算得到的3方向时域冲击参数如表1所示。

表1 冲击响应谱

图2 等效的双三角形时域曲线冲击条件

算例使用时域瞬态分析法[6],将所对应方向的冲击谱分别作用于垂向、纵向、横向3方向上,计算3方向冲击载荷作用下的应力和变形。

由图3得到骨架垂向的最大应力为120.98 MPa,出现在中立柱与底部纵梁连接处;横向冲击时最大应力为29.5 MPa,出现在中部插箱吊耳处;纵向冲击时最大应力为79.64 MPa,出现在前部左横梁与立柱连接处。骨架垂向最大变形为1.04 mm,出现在底部横梁处;横向最大变形为1.29 mm,出现在面阵骨架前部纵横梁交界处;纵向最大变形为1.53 mm,出现在左部插箱吊耳处。

图3 初步设计的骨架3方向应力云图

骨架材料为铝型材,屈服强度σs=145 MPa,抗拉强度σb=245 MPa。冲击作用下的应力均小于材料强度的90%,但整个天线骨架质量超出设计要求。因此,有必要对骨架结构进行轻量化设计,可采用局部抠孔、降低壁厚等方式。

3 结构减重与数值分析

综合考虑结构减重设计要求及工艺性,由算例结果发现骨架的斜板、斜梁及底面法兰盘应力较小,故对此3处进行优化设计,具体如图4、5、6所示。

图4 减重前后的局部斜梁及剖视图

图5 减重前后的局部底面法兰盘

图6 减重前后的局部斜板

为了增加天线单元走线空间同时进行局部减重,将3根斜梁进行局部开槽处理;在底面法兰上增加了一定深度的吕字形减重槽;在斜板处设计了相应的减重孔、槽等,减重约25%。

采用和原数值分析相同的边界条件,再次对减重后的骨架进行模态分析和冲击响应分析,按照同样的方式对底面螺纹孔进行约束,采用实体网格四面体单元(mesh200)进行划分。

表2 减重前后固有频率的变化

通过减重前后固有频率的对比,可以看出减重后的前四阶固有频率相对减重前有不同程度的降低,但变化幅度不大,均在10%以内。

图7 减重设计后的骨架3方向应力云图

根据减重后模态分析的结果得出骨架的有效模态质量约为0.3 t,由图7得到减重后冲击载荷作用下骨架垂向的最大应力为127.5 MPa,出现在中立柱与底部纵梁连接处;横向冲击时最大应力为31.3 MPa,出现在75°斜面直角处;纵向冲击时最大应力为86.2 MPa,出现在前部左横梁与立柱连接处。最大应力仍小于型材屈服强度σs=145 MPa,抗拉强度σb=245 MPa。骨架垂向垂向冲击时最大变形为1.07 mm,出现在右部上端横梁处;横向冲击时最大应变为1.34 mm,出现在面阵左上端角处;纵向冲击时最大应变为1.54 mm,出现在左部插箱吊耳处。

表3 减重前后最大应力的变化

表4 减重前后最大变形的变化

由表3的对比结果可发现,减重后的最大应力均有所增大,但变化幅度不大,说明质量减小后的骨架虽刚性变弱,承受冲击载荷的能力有所降低,但最大应力值小于该骨架材料强度的90%。由表4可知减重前后最大变形变化率微小,说明减重后的骨架结构仍满足抗冲击的条件,相对减重前减轻了25%,对整机的轻量化设计提供了有力支撑。

4 结束语

本文首先用NX软件对整个天线骨架进行三维建模,后导入workbench后处理模块中,对骨架进行模态分析,得出前四阶固有频率及振型,得到了骨架的有效模态质量。采用时域分析法进行了抗冲击数值模拟分析。根据算例分析的结果,在应力较小的位置进行了减重优化。对减重优化后的骨架再次进行了数值模拟分析,结果表明虽然减重后的骨架刚强度有所降低,但骨架最大应力仍处于材料强度的安全范围之内,仍符合设计要求,对骨架结构的减重设计具有一定的实际参考价值。

[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] 闻邦春,顾家柳,夏松波,等.高等转子动力学:理论、技术及应用[M].北京:机械工业出版社,1999.

[3] 钟一谔,何衍宗,等.转子动力学[M].北京:清华大学出版社,1987.

[4] GJB 150.18-86军用设备环境试验方法——冲击试验[S].

[5] 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.

[6] 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.

Lightweight design and dynamics numerical simulation of an antenna framework

SONG Jun-chen, WU Jia, LI Wei-zhong, ZHUANG Wen-xu

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

In view of the lightweight requirement of an antenna framework, the structural lightweight design and the numerical simulation and analysis are performed in the extreme environment. The 3D finite element model of the framework is built in the workbench software. Based on the modal analysis, according to the standards of the environmental test of the military equipment, the shock response of the framework is analyzed in three directions through the time-domain transient analysis method, and the numerical simulation results indicate that the relevant structural parts can be optimized in weight. The quality of the framework optimized is reduced by about 25%, and it is simulated and analyzed again. The results indicate that the stress deformation response is within the range of the yield strength and the tensile strength of the materials, satisfying the anti-shock requirement of the working environment.

radar; antenna framework; workbench; lightweight; dynamics

2016-08-30;

2016-09-20

宋骏琛(1990-),男,助理工程师,硕士,研究方向:结构力学分析;吴佳(1981-),女,高级工程师,硕士,研究方向:结构设计;李维忠(1979-),男,高级工程师,硕士,研究方向:雷达结构工艺;庄文许(1985-),男,高级工程师,博士,研究方向:机电系统设计。

TN957.2

A

1009-0401(2016)04-0056-04