雷达天线阵面及天线座炮振响应分析

弋 辉

(中国电子科技集团公司第二十研究所， 陕西 西安 710068)

引 言

火控雷达作为末端防御系统的重要组成部分，需要满足系统的探测、跟踪威力、反应速度、跟踪精度、火控解算精度等方面提出的需求。雷达的整体架构是天线阵面和高频箱固连，高频箱与天线座固连，天线座安装在高速火炮的托架之上，受两位一体复合伺服系统控制。雷达通过由瓦片式数字子阵组成的天线阵面进行电扫，通过方位和俯仰传动系统实现机扫。

天线阵面由瓦片式子阵组成，阵面背部布置4个散热模块，对整个阵面进行散热，天线阵面和高频箱通过4个转接件固连，高频箱通过法兰和俯仰轴连接，实现相控阵天线和后叉臂形式天线座的结合。

为了满足雷达的重量要求，对天线座中的俯仰壳体、方位壳体和杯形件进行轻量化设计，采用最小壁厚配加强筋的结构形式。对天线阵面和高频箱进行了结构优化设计和合理布局，保证在满足雷达性能要求的基础上，尽量减小转动惯量。

雷达需要满足的振动环境条件主要为炮振条件，雷达的一分机(天线及天线座)安装于火炮综合体左托架上，天线阵面在火炮振动环境下的位移响应会造成雷达探测性能下降和跟踪精度变差，同时一分机对炮振的应力响应和加速度响应也要满足强度要求和模块的设计要求，因此分析研究一分机对炮振的响应是十分必要的。通过对天线和天线座进行合理的结构设计，将炮振响应控制在允许范围内。

雷达天线座是雷达重要的结构件，它为天线阵面提供稳定的支撑，并在伺服系统的控制下使天线阵面在方位和俯仰方向上按照预定规律运动，从而实现对目标的搜索和跟踪，一分机需要满足伺服系统带宽对固有频率的要求[1-2]。

运用有限元分析软件ANSYS对一分机的炮振响应进行仿真计算。有限元分析方法是结构分析的一种数值计算方法，从物理或几何角度来说，其基本思想是将弹性连续体划分成有限个小单元体，它们在有限个节点上相互连接，在一定的精度要求下，对每个单元用有限个参数来描述它们的力学特性，而整个特征体的力学特性，可认为是这些小单元体力学特性的总和，从而建立连续体的力学平衡关系。

1 天线及天线座有限元模型

1.1 有限元模型的建立

雷达一分机主要由天线阵面、高频箱、俯仰壳体、俯仰轴、俯仰电机及轴承、方位壳体、方位杯形件、方位电机及轴承等零部件组成，这些地方的连接对系统的动态性能影响较为明显，在对模型进行简化时尽量接近实际的作用状态，雷达三维模型如图1所示。

图1 雷达三维示意图

一般当几何体存在多个部件时，需要确定部件之间的相互关系，在ANSYS中是通过接触与点焊来定义的。在结构分析中，接触和点焊可以防止部件的相互渗透，同时也提供了部件之间载荷传递的方法。雷达一分机模型的多个部件之间都是通过接触相互作用的，接触使用的是二维几何体，接触单元提供部件间的连接关系，每个部件维持独立的网格，根据部件结构特性划分不同类型的网格。

俯仰壳体和方位杯形件等通过螺栓联接简化为接触面绑定接触连接，俯仰壳体通过两组成对使用的角接触轴承支承两俯仰轴，简化为摩擦接触。通过对主要零部件如实的建模和对各部件之间接触的设置，建立了详实的有限元模型[3-4]。

1.2 有限元模型参数的设置和网格的划分

ANSYS材料库中保存了大量的常用材料数据，在选中的材料性能中可以看到默认的材料属性值，该属性值可以进行修改，以符合选用的材料特性。

在保证模型质量分布和实际相符合的情况下，为了简化模型，选取了2种主要材料。方位壳体、俯仰壳体、杯形件、下方位壳体、天线阵面和高频箱为线性铝材料；主/副半轴、轴承座、耳轴、锁紧螺母、止挡环和电机为线性钢材料。零部件的2种材料参数见表1。

表1 零部件材料参数

按照实体结构及其相互的连接关系将结构系统的弹性连续体划分成有限个连续小单元体即对有限元模型进行网格划分。

将材料相同且为绑定接触连接的部件生成多体部件体，根据零部件的特性分别设置部件的网格尺寸大小。生成的雷达一分机有限元模型共有22.4万个节点，11.1万个单元，66个部件体和多体部件体，雷达一分机简化结构的有限元模型如图2所示。

图2 一分机简化结构有限元模型

2 一分机炮振响应分析

2.1 随机振动分析

应用有限元分析软件ANSYS中的Random Vibration随机振动分析功能模块进行一分机炮振响应分析。

随机振动分析是一种基于概率统计学的谱分析技术，随机振动分析中功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)记录了激励和响应的均方根值与频率的关系。因此，PSD是一条功率谱密度值-频率值的关系曲线，亦即载荷时间历程。

随机振动分析的输入为：1)通过模态分析得到的结构固有频率和固有模态；2)作用于节点的单点或多点的PSD激励曲线。随机振动分析输出的是作用于节点的PSD响应，包含位移响应、应力响应和加速度响应。

随机振动分析流程为：1)建立整个一分机天线和天线座的有限元模型；2)划分网格并验证；3)按实际约束情况对天线座安装面施加固定约束；4)对一分机进行模态分析，得到固有频率和固有模态；5)分别将实测的天线座安装面上X、Y、Z三个方向的炮振功率谱作为激励，并施加固定约束；6)计算分析一分机在炮振激励下的位移响应、加速度响应和应力响应，给出雷达一分机的响应结果及部分关注位置节点的位移响应和加速度响应结果[5-6]，流程图如图3所示。

图3 一分机随机振动分析流程图

2.2 随机振动激励炮振谱

通过实验，在雷达安装基面上测得的炮振谱为加速度功率谱，测试的频率范围为0～2 560 Hz，测试频率分辨率为1 Hz。测试方向为X向、Y向和Z向，X向为水平射向，也就是天线零位指向，Y向是横向，Z向为垂直方向。

天线座安装面上的加速度功率谱密度见表2。

表2 天线座安装面加速度功率谱密度

2.3 随机振动仿真结果

通过模态分析得到一分机结构的固有频率和固有模态，前6阶固有频率见表3，前6阶固有模态如图4所示。

表3 一分机前6阶固有频率

根据3个方向的加速度功率谱密度数据分别计算了一分机3个方向的位移响应、应力响应，仿真结果如图5～图7所示。

图5 Z向炮振谱作用下3个方向位移响应和应力响应

图6 Y向炮振谱作用下3个方向位移响应和应力响应

图7 X向炮振谱作用下3个方向位移响应和应力响应

3 仿真结果分析

表4为在3个方向炮振谱下仿真计算结果的具体数据。可以看出，天线和天线座结构满足保证天线指向精度的刚度要求，即天线阵面最大位移量小于1 mm；满足抗炮振的强度要求，炮振下最大应力远小于材料的最大许用应力；满足天线上安装模块(电源、陀螺、瓦片式数字子阵等)的区域在各个方向上对炮振的响应加速度不大于100 m/s2的要求, 保证模块正常可靠的工作。

火炮高射速射击频率为60～70 Hz和150～170 Hz，一分机前6阶的固有频率没有和火炮高射速射击频率重合，符合抗炮振要求。同时一分机1阶固有频率(36.6 Hz)满足大于伺服带宽(10 Hz)3倍的要求。

表43个方向炮振谱下的仿真计算结果数据

4 结束语

本文对雷达天线阵面及天线座结构方案在炮击激励下的响应进行了仿真分析，结论如下：

一分机的位移响应满足保证天线指向精度的要求，一分机的应力响应远小于所用材料的最大许用应力，能够承受炮击振动，一分机的加速度响应满足模块正常可靠工作的要求。

一分机前6阶的固有频率没有和火炮高射速射击频率重合，符合抗炮振要求，一分机的固有频率满足伺服带宽的要求。

天线阵面和天线座的结构设计合理，雷达在炮振条件下可以正常工作。

[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2016.

[2] 凌桂龙, 丁金滨, 温正. ANSYS Workbench 13.0从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.

[3] 魏强. 机载显控台抗振动仿真设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(4): 60-64.

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[5] 吴孟武, 黄春江. 某星载电子设备的力学仿真分析[J]. 电子机械工程, 2015, 31(4): 49-56.

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