某天线座结构设计与仿真

2020-11-26吴金彪

舰船电子对抗 2020年5期

蒋旻，吴金彪

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101)

0 引言

天线座是天线的支撑和定位装置。由于安装平台的限制，天线座重量控制及结构合理性在天线座设计过程中愈发重要，如何设计出重量轻、结构布局合理的天线座是个复杂的过程。同时满足天线座的各种性能指标和环境要求，对设计手段提出了更高的要求[1]。本文将以NX8.0软件为平台，通过软件仿真、参数化设计、优化结果，实现某型天线座从方案设计到详细设计的全过程仿真，探讨一种天线座设计的思路及方法[2]。

1 设计要求及难点

本天线座为固定式天线座，其主要功能是完成对若干天线、散热板及电源等电气设备的固定及定位。根据客户要求，该天线座在原有平台上修改设计，导致天线座尺寸和重量受到严格控制，天线座的外形尺寸及重量要求如下：总高H≤450 mm；总重W≤35 kg。

设计难点：对结构设计来说，尺寸重量如果受到严格控制，设计难度相当大，常规的设计手段和设计方法已无法完成设计要求。

本文依据已有的限定条件，采用先进的三维设计仿真手段，开展该天线座优化设计。

2 方案设计

2.1 设计思路

在前期设计过程中，天线、散热板等部件尺寸已经固化，无法更改。以这些尺寸为条件可以大体确定天线座的主要尺寸。

根据电性能要求及电源等电器组件尺寸限定，可以确定天线罩尺寸；同时散热板尺寸已经固化，以此为条件，最终确定的天线座初始方案为图1、图2所示2种方案。2种方案的比较见表1。

图1 天线座初始方案1

方案1(图1)将冷板分别布置在天线座的底板、后壁上，天线座侧壁设维修孔。此方案结构较为简单，加工性较好。从表1可以看出，此方案较重，同时尺寸偏大。

图2 天线座初始方案2

表1 初始方案比较(相同壁厚)

方案2(图2)将冷板置于天线座的立柱上，此布局结构紧凑，重量较轻；但工艺性较差，在详细设计时得着重解决工艺性问题。

由于重量及外形尺寸限定较为严格，综合考虑后决定采用方案2为初始天线座方案，以此为基础设计此天线座。

2.2 结构优化设计

在初始方案确定的情况下，对初始模型进行结构优化设计。

结构优化设计是一种在限定条件下确定最优设计方案的技术。在本天线座的设计过程中，优化的主要目的是将重量控制在限定的范围内。

2.2.1 约束条件

一般情况下，铸件较之理论模型会有15%左右的偏差(设计时给予铸件的设计余量)；假定加强部分占铸件总重的10%，重量约束如下：

Wca≤W×65%=35×75%=26.3(kg)

本天线座铸件材料为ZL101 A，采用砂型铸造，应力约束如下：

式中：[S]为安全系数，取[S]=2；σb为抗拉强度，取σb=135 MPa。

2.2.2 参数化建模

参数化设计是实现结构优化设计的主要途径，对参数的控制可以实现对仿真过程的参数化调整，进而求出最佳解。

NX8.0中，参数化建模是依靠其表达式功能来实现的。在本天线座中，由于天线座的外形尺寸基本确定，故在参数化建模中，我们将铸件的厚度作为变量，主要设置如图3所示。

图3 表达式界面

完成参数化建模后，加载边界条件及载荷，对模型进行有限元分析。初始方案的Von Mises应力分布及位移分布如图4、图5所示。

图4 Von Mises应力分布图

图5 位移分布图

2.2.3 参数迭代

将对初始方案的分析结果作为优化设计的初始参考。从上面的分析结果可以看出，初始设定的壁厚较厚，最大应力为55 MPa，但重量已经超过限定值；故可以在表达式中将应力相对较低区域的壁厚改薄，然后按图6所示进行模型及分析模型的更新。表2为5次迭代的结果，考虑实际工艺性，铸件的壁厚不宜过薄，加之考虑到铸件实际壁厚的误差，最终选择表2中序号5的壁厚分布，其重量、最大应力均在限定范围内。