一种简易的单兵雷达结构受力分析

严荣军李维天

（中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068）

一种简易的单兵雷达结构受力分析

严荣军李维天

（中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068）

结合某种单兵雷达的研制和实践，论文介绍了一种简易和快速架收的雷达结构，对该雷达结构在工作状态下受到的风载和倾覆力矩进行了计算，并通过有限元分析法对各结构件的受力情况进行了分析仿真。结果表明此支撑结构在该特定工作条件下具有较好的稳定性和刚强度，满足设计指标要求。

单兵雷达；结构；载荷计算；有限元仿真

Class NumberTN957

1 引言

在现代信息化战争中，战场局势瞬息万变，时刻掌握战场局部动态信息极为重要，为了满足此需要，众多单兵雷达应运而生。单兵雷达的特点是快速架设撤收、快速转移、行军方便等，因此要求结构简单，重量轻，元器件少，各部分能够快速拆分组合等［1～2］。而雷达在架设完成后静止工作时只会受到重力载荷和风力载荷的影响，受力相对简单［3-4］。因此设计时在满足稳定工作的条件下尽可能地考虑使用要求和特点，尽可能简化和实用。

本文主要介绍一种简易的单兵雷达结构，通过对风力矩的计算验证工作时结构稳定性，并通过有限元分析的方法验证结构刚强度的可靠性，并结合研制和实践过程提出改善措施。

2 雷达系统简介

本雷达系统整体结构主要包括三部分（图1），由天线、支架转台结构和显控台组成。支架转台结构由转台（图2），支撑腿和下端支腿等组成，天线安装在转台方位轴上实现方位旋转，通过锁紧装置限位；支撑腿能够收起与展开，方便携带和转移；下端支腿实现位置调整和调平。雷达架设时，撑开支架转台结构，将天线固定在支架转台上并通过缆线与显控台连接，并通过三个支腿固定和调平，能够实现快速组装和位置调整，操作简单，架设迅速。

3 载荷分析

此便携式雷达正常工作时天线阵面与地面垂直并固定在支架转台上，支架与地面接触，无辅助固定，因此为考虑抗风状态下工作时结构稳定性和安全性，不会饶支腿倾翻，需要对作用在雷达系统上的各个力矩进行计算。按照设计要求能够在8级抗风状态下正常稳定工作，此时雷达系统主要受到垂直方向的重力载荷水平方向的风力载荷作用，其中重力载荷为静载荷，风力载荷为动载荷，所受力矩主要为重力力矩和风力倾覆力矩。当重力力矩大于风力倾覆力矩时，雷达系统能够稳定工作，反之当重力力矩小于风力倾覆力矩时，雷达天线及底座会绕两支腿触地点轴线倾覆，不能抗风工作［6～7］。

3.1 静载荷

雷达系统所受静载荷来源于各部件自重，由天线、转台、支撑腿、固定板和支腿等部分组成，重量分别为G1，G2，G3，G4，G5。假设天线和底座在风力作用下绕AB轴倾覆，如图3雷达系统俯视图所示，忽略部分结构重量，所受主要重力矩为

3.2 动载荷

雷达系统工作时所受动载荷来源于风负载，在实际情况下风负载是无规则变动的，为计算方便，取8级风力下的最大值，然后按静载荷计算校核。雷达天线为长方体形状，长宽高尺寸为：l=0.9m，b=0.3m，h=0.8m，天线所受风载荷与空气密度ρ，风速v，等效受力面积S等有关，而支架等迎风面积较小所受风载荷忽略不计，因此风载主要集中在天线上，如图3所示作用在天线的风载荷为风力F为

其中CF为风力系数，q和S为风力动压头和受力面积。在风载荷作用下，天线的受力可以分解为水平方向的风阻力FD和竖直方向的升力FL，风阻力FD和升力FL将产生倾覆力矩M2，导致天线连同支架倾覆［8～10］，如图4所示。

其中，风阻力FD=CD·q·S；风升力FL=CL·q·S；风力矩M=CM·q·S·h；倾覆力矩M2=FD·H。

式中q为动压头（N/m2），计算公式为q=0.5ρV2，其中V为风速（m/s），ρ为空气密度，在标准大气压，当温度为15℃时，ρ=1.25kg/m3；S为雷达天线的特征面积（m2），如图1，长方体天线两垂直面的面积分别为：S1=l·h=0.9×0.8m2=0.72m2，S2=b·h=0.3×0.8 m2=0.24 m2；h为特征尺寸，天线高度（m），H为等效风力作用点天线中心处与地面的高度距离，H=1.7 m；CF(CD，CL)，CM为风力系数和风力矩系数，平板天线在不同俯仰角度下的风力系数和风力矩系数如图5和图6所示［2］。

该雷达系统工作时Φ=90°（即γ=0°），此时由图5和图6中曲线可得CD=1.1，CL=0，CM=0。故天线只受到风阻力FD和倾覆力矩M2作用。

由于自然风力不是稳定值而是无规律波动的，地形、阵风、高度等因素都会影响风力大小，用平均风力值带入计算将给计算结果带来较大误差，因此要对相关参数进行修正，主要是动压头q计算式中风速V的取值，进行高度修正和阵风修正［3］，其中高度修正的公式为

式中Z为高度（m）；天线中心高度1.7 m，故Z=1.7 m；Vz为高度Zm处的平均风速；α为指数，由地形而定，此处取α=0.146（旷野平原）；V10为10m高度处风速，V10=19m/s（8级风）。

阵风修正是平均风速乘以阵风因数，天线处在8级大风下工作时（风速为V10=19m/s）时，查得阵风因数为1.44。由此可计算出实际修正风速V的值：

由以上可得动压头：

如图1所示风载荷q作用下，天线两个垂直面均受到风力作用，有效受力面积分别为S1cosθ和S2sinθ，天线受到的风阻力为

其中因此天线所受到的风力随着天线表面与风力方向的角度θ不同而按照正弦规律变化，当θ+β=90°受到的最大风阻力为

最大倾覆力矩为

3.3 工作稳定性分析

由前面计算可得静载荷重力矩为M1=453.5N·M，按照最大风力作用在最大受力面积下计算得出倾覆力矩M2=394.9N·M，通过对比可得出M1＞M2，故雷达系统在要求的条件下无需任何辅助固定措施下能够正常稳定的工作。

4 有限元受力分析

风力作用下雷达天线、转台和支座等部分会产生变形和受力变化，关键部位会产生应力集中，如果结构件不满足刚度强度要求将导致结构破坏。因此需要对雷达结构在最大风力作用下的受力进行分析。本文利用ANSYS WORKBENCH有限元软件来完成计算各结构件的变形和受力情况，判断其刚度强度是否满足要求。与其他有限元分析软件一样，ANSYS WORKBENCH分析过程也包含建模、定义材料、划分网格、加载、求解和后期处理等步骤［11～13］。

4.1 模型简化

天线内部元器件众多，结构复杂，如使用真实天线结构模型将导致极大的计算量，而天线受到的风载荷只作用在长方体天线的外表面，对内部元器件结构及位置没有影响，因此用等体积等质量的长方体实体代替天线实际模型，简化模型，减少计算量。同理调平支腿，固定板等零部件只起到调平和固定限位的作用，并非关键部位并且具有足够的强度刚度，因此模型中将其省略，而将支腿底部设置为固定约束，可达到相同目的，其他部位按照真实尺寸构建模型。

4.2 前处理

将三维模型导入到ANSYS WORKBENCH中进行前处理，包括定义材料、划分网格、加载。其中天线材料按照模型同尺寸同质量要求自定义材料，天线材料参数通过等效计算获得，转台及内部部分元器件材料为钢，支腿部分为铝合金。网格划分选择软件自动划分，根据不同结构自动划分为四面体和六面体网格。受到的载荷为垂直于地面的重力载荷G和垂直天线阵面几何中心的水平方向的风力载荷FD，此外转台3个支腿下部设置为固定约束，然后选择求解器求解。

4.3 计算结果

通过仿真计算，结果如图8所示，在风载作用下每个结构件均有应力集中部位，较大应力应变部位主要位于外壳与方位轴的接触面、止板和外壳接触面及内轴上，最大应力应变位于止板拐角处。按照等效应力和等效应变规则计算时，最大应力为23.68MPa，最大应变为1.17×10-4m/m；按照最大应力和最大应变规则计算时，最大应力为40.46Mpa，远小于其极限强度（表1）；最大应变为1.23×10-4m/ m，整个雷达系统变形较小。因此通过有限元分析可知转台及支座满足强度刚度要求。

表1 相关材料参数

5 结语

本文对雷达系统在给定条件下的重力矩和倾覆力矩进行了计算，并利用有限元方法对受力和变形进行仿真，结果表明该支架和天线在8级风载下不会发生倾覆，各结构件满足刚强度要求，能够正常稳定工作。同时，由计算结果看出止板上的直角拐角处有较大应力集中现象，后续将优化结构，改善受力；此外，在静载荷计算中可以看出天线及支架两部分重量为50kg左右，对于单兵雷达而言，携带负担较重，还需大量减重。后续工作中将优化天线及支架转台结构使得尺寸小型化，采用碳纤维等轻型材料使得重量轻型化，通过外加辅助固定措施增加工作稳定性而不是靠自重保证等措施进行改善，从而减轻单兵负担，充分满足单兵雷达的特点和要求。

［1］王金伟，唐宝富，赵希芳，蔡建国.一种单兵雷达可展结构的误差分析［J］.现代雷达，2014，36（4）：77-81.

［2］方逸远，刘正武，周敬烈.基于加窗平滑的融合算法在单兵雷达中的应用［J］.电子测量技术，2014，38（2）：28-41.

［3］牛永生.某车载雷达天线俯仰机构的分析计算［J］.电子机械工程，2001，2：55-58.

［4］牛永生，杨丙乾.专用珩架结构强度安全性分析设计［J］.矿山机械，2005，10（33）：90-91.

［5］王飞朝，周克洪，王克军.基于有限元技术的模态分析在雷达结构设计中的应用［J］.电子机械工程，2006，1（22）：14-26.

［6］龚振邦等.电子设备机械设计［M］.北京：高等教育出版社，1985.

［7］叶尚辉等.天线结构设计［M］.西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

［8］荣光，王争论，代少辉.车载微波天线风力作用下结构强度分析［J］.探测与控制学报，2008，30：80-83.

［9］陈应春，宋晓斐.某车载天线工作状态下的结构刚强度分析［J］.电子机械工程，2016，1（32）：44-47.

［10］侯学兵，高锋华.某雷达天线的风载荷分析［J］.电子机械工程，2010，3（6）：40-42.

［11］吴乐平.基于ANSYS的某雷达天线结构有限元分析［J］.电子机械工程，2010，4（26）：50-56.

［12］罗道江.一种相控阵雷达天线结构仿真设计与优化［J］.设计与研究，2011，12：8-11.

［13］黄潇，谭贵红.某雷达天线骨架仿真与测试分析［J］.电子机械工程，2015，6（32）：46-49.

A Simple Structure Design of Individual Rader

YAN RongjunLI Weitian
（The Twentieth Institute of China Electronics Technology Group，Xi'an710068）

sCombined with the research on the individual rader，this paper introduced a structure which can be simply and eas⁃ily installed and disassembled，calculated its wind load and overturning moment under work condition，and used the finite element simulation method to simulate load of some parts.The results showed that the support structure had a good stability，stiffness and in⁃tensity under the special work condition，which satisfied the design parameters.

individual rader，structure，load，finite element simulation

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.038

2017年2月9日，

2017年3月28日

严荣军，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：雷达结构与传动。李维天，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：雷达电子结构。