高精度高架车载标校系统结构设计与力学分析

马保宁,杨 斌,沈文军

(中国电子科技集团公司第十四研究所,南京 210039)

高精度高架车载标校系统结构设计与力学分析

马保宁,杨 斌,沈文军

(中国电子科技集团公司第十四研究所,南京 210039)

根据某舰载雷达的标校特点,完成了某高精度高架车载标校系统的结构设计。介绍了舰载雷达标校的环境特点。根据研制指标的要求设计了车载式移动标校系统。在此基础上,采用有限元法对系统的承载平台和升降塔等关键部件进行了力学仿真分析。仿真结果表明,系统的结构设计合理,满足舰载雷达的标校需求。

舰载雷达;标校;高架;车载

0 引 言

为保持和提高雷达的测量精度,通常的合适方法就是在使用过程中定期或不定期地进行标校。雷达的标校一般有动态和静态两种方法。静态标校方法一般利用固定式标校塔。舰载雷达受安装位置和舰艇停靠码头的条件限制,一般需要可移动式的高架高精度标校系统,方能满足雷达静态标校的需求。

本文介绍了一种高架高精度的移动式标校系统的结构总体设计,并对其中的承载平台和升降塔的结构设计作了详细介绍。

1 标校系统介绍

系统共一个运输(工作)单元,设备舱、升降塔、油机、伺服控制箱、供油系统等上装设备全部安装在承载平台上,通过承载平台和载车连接。设备舱内主要放置后端电子设备,油机用于给系统供电。上装的主要设备为一套可升高40 m的升降塔。升降塔的顶端安装有标校喇叭和GPS天线等。为满足某舰载雷达的标校需求,升降塔升高40 m后,在4级风情况下顶部的位移量要求小于80 mm。作为上装设备的载体,承载平台必须具备一定的刚强度,保证系统工作时在额定的风载荷下的安全性和稳定性。图1为系统运输状态。

图1 系统运输状态

2 系统结构设计

2.1 结构设计

承载平台上除了安装上装设备外还安装有调平腿和抗倾覆腿,具有良好的刚强度和稳定性。平台的外形尺寸为宽2 m、长9.5 m,质量约为5 t。主梁和边梁均采用封闭式箱体结构,横梁为C型梁。调平腿前后跨距为7.8 m,左右跨距为2 m;抗倾覆腿前后跨距为7 m,左右跨距为8.4 m。图2为标校系统承载平台。

图2 标校系统承载平台

2.2 升降塔结构设计

升降塔主要功能是作为安装标校天线的平台,使标校天线上升到一定高度,在满足稳定性要求的前提下完成标校工作,并且在车辆移动运输前升降塔能够进行收回折叠和倒伏动作,满足运输要求。

升降塔塔架共有7层口径不同的方型框架,从小到大,由内到外层层空套。塔架的升降采用复合驱动进行同步升降。驱动机构由升降油缸和钢丝绳滑轮组共同组成。升降塔七节塔架均采用桁架式结构,其迎风面积小,由风载荷引起的变形也小,所需管材的尺寸较小,质量相对较轻。升降塔最大截面尺寸为1500 mm×1500 mm,其收回状态总长度不大于6.8 m。图3为标校系统升降塔。

图3 标校系统升降塔

3 系统力学分析

3.1 载荷分析

系统在架高工作时主要受到风载荷的作用。塔体部分受到的风载荷可按下式计算[1]:

式中,WK为风载荷标准值(kN/m2),βZ为高度Z处的风振系数，μS为风载荷体型系数，μZ为风压高度变化系数，W0为基本风压(kN/m2)。

塔体以外的其他设备的风载荷计算:

Fx=9.8·Cx·A·V2/16(N)

式中,Cx为风阻力系数,A为物体特征面积 (m2),V为风速 (m/s)

3.2 模型简化

平台部分将梁单元和实体单元进行切割,将平台各焊接单元进行合并生成一个整体,并简化液压调平腿和抗倾覆支撑腿的建模。考虑到载车车梁对标校车平台受力影响较大,将载车车梁经过简化后纳入模型中。简化后标校车平台模型由平台骨架、载车车梁、调平腿和抗倾覆腿组成。

将平台骨架与调平腿及抗倾覆支撑腿直接进行绑定(Bonded)。平台骨架和载车车梁通过接触面进行绑定。根据模型结构特点,对模型进行网格划分,见图4。

图4 平台网格模型

升降塔建模时,先分别建立每节塔结构的有限元模型,然后再进行装配。立柱、底座和围框等加强结构采用壳单元划分,横梁和斜梁等加强管结构采用梁单元,壳单元与梁单元之间连接部位采用共节点进行连接。图5为单节升降塔模型。

图5 单节升降塔模型

在各部分模型完成的基础上,将承载平台以及各段塔结构装配成整个升降塔系统的有限元模型。根据各部分零件的厚度不同,建立相关的零部件(component)。图6为系统网格模型。

图6 系统网格模型

标校车单侧受风载,其受力侧抗倾覆支撑腿可认为不与地面接触[2-4]。因此,只固定4个液压调平腿和一侧的2个抗倾覆支撑腿。

3.3 工况介绍

该系统所受的载荷主要包括上装电子设备质量、载车质量、平台自重和风载荷,约束点为4个调平腿和4个抗倾覆腿,共计算2种工况:

工况1 系统工作状态,升降塔升起,4级风(7.9 m/s)载荷,4个调平腿与2个抗倾覆腿支撑,保精度工作。

工况2 系统工作状态,升降塔升起,8级风(20.8 m/s)载荷,4个调平腿与2个抗倾覆腿支撑,保证撤收。

3.4 力学分析

根据仿真分析结果,在工况1情况下,第6和第7段塔结构的应力较大,应力值最大的节点位移第4段塔结构底座,应力值为19.2 MPa,其余位置的应力值较小。应力最大值远小于材料屈服极限,结构的强度满足要求。液压塔顶部的位移值最大,为3.88 mm。图7为风速7.9 m/s时系统应力和位移云图。

在工况2时,升降塔整体应力分布云图和位移如图8所示。与工况1类似,第6和第7级塔结构的内应力普遍较大。最大应力出现在第6级塔结构的加强梁单元上,应力值约为100 MPa,应力值小于塔结构材料的屈服应力,塔结构的强度满足要求。

通过仿真计算可以看出,系统在工作条件规定的风载荷下应力值较小,升降塔顶部的位移值也满足要求。

图7 风速7.9 m/s时系统应力和位移云图

图8 风速20 m/s时系统应力和位移云图

4 结束语

根据舰载雷达的标校需求,结合车载设备的结构特点,本文设计了高精度高架车载标校系统。研制过程中对系统的关键部件进行了力学分析,结果表明系统的各项指标满足设计要求,同时该结构形式的标校系统也可供类似产品的设计及应用提供参考。

[1] 王肇民,马人乐.塔式结构[M]．北京:科学出版社,2004.

[2] 贺鹏.某无源高架雷达结构总体设计要点分析[J].电子机械工程,2007(6):37-39.

[3] 程春红.某高架机动性雷达力学试验[J].电子机械工程,2006(4):30-33.

[4] 赵希芳.车载雷达力学分析中支腿边界条件的研究[J].现代雷达,2003(12):17-19.

Structural design and mechanical analysis of an elevatedvehicle-borne calibration system with high precision

MA Bao-ning, YANG Bin, SHEN Wen-jun

(No. 14 Research Institute of CETC, Nanjing 210039)

According to the calibration features of a shipborne radar, the structural design of a high-precision elevated vehicle-borne calibration system is completed. The environment characteristics of the calibration of the shipbome radar are introduced. According to the specification requirements of the development, the vehicle-borne mobile calibration system is designed, on the basis of which the critical components of the system such as the hosting platform and the lifting tower are analyzed with the finite element method via the mechanical simulation. The simulation results indicate that the structural design of the system is reasonable, which can satisfy the demands of the calibration of the shipbome radar.

shipborne radar; calibration; elevated; vehicle-borne

2016-11-28;

2016-12-02

马保宁(1962-),男,工程师,研究方向:雷达结构总体;杨斌(1989-),硕士,助理工程师,研究方向:雷达结构总体;沈文军(1970-),研究员高级工程师,硕士,研究方向:雷达结构总体。

TN959.72

A

1009-0401(2017)01-0052-03