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某舰载火控雷达天线座结构设计

2023-09-05周丽阳陈超朋张雷亭赵选荣

舰船电子对抗 2023年4期
关键词:传动装置天线阵方位

周丽阳,陈超朋,张雷亭,赵选荣

(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 710068)

0 引 言

舰载火控雷达是舰炮武器系统的重要组成部分,它的性能直接决定舰炮武器系统的打击能力[1]。随着舰艇武器技术的发展和现代海战的升级,舰载火控雷达作为舰炮武器系统的眼睛和实时控制系统,可以对敌方目标进行探测和跟踪,实时准确地提供目标的位置信息,经火控系统解算后,有效杀伤敌方来袭目标[2-3]。

天线座是雷达天线的定向和支撑装置,它通过伺服系统控制天线按照预定的规律转动,并完成运转状态下各种信号的传递。早期的雷达系统性能相对较低,对天线座的结构要求相对简单。随着现代电子信息技术的迅速发展和雷达技术在航海、航天、航空等领域的广泛应用,对天线座的设计提出了更高的要求[4]。天线座结构形式复杂繁多,对加工制造工艺要求高,工作时承受静力、炮振、冲击等多种载荷,并且对雷达整机的精度、可靠性、成本和加工周期的影响较大,也是影响雷达整机性能的重要因素[5]。

在传统的天线座结构设计中,设计人员一般根据实际工程经验,利用类比法和经验公式进行方案设计和一些简单的核算,这样必然会出现为了增加安全系数,保证天线座的强度刚度,导致结构件重量增加、传动系统灵活性降低等问题[6]。近年来,天线座结构设计领域逐步引入了一些新的方法和手段,如虚拟样机技术、结构优化设计方法以及有限元分析方法等,不断向理论化、科学化的方向发展。

本文主要研究某舰载火控雷达天线座的结构设计,运用UG软件建立天线座的三维模型,计算天线座所受的主要载荷并对其轴系精度进行分析,最后利用有限元分析软件对天线座进行模态分析,装配完成后进行振动试验。结果表明该天线座精度高,稳定性强,可靠性高,满足系统指标要求。

1 天线座结构设计

天线座是雷达的主要组成部分,雷达天线座的设计要满足雷达的用途、使用条件和性能指标。天线座的设计要保证天线阵面的转动范围、天线阵面转动的角速度和角加速度、伺服系统的精度要求、天线座的刚度、在极限环境下天线座的强度、系统要求的外形尺寸和重量等要求。根据指标要求,本天线座采用俯仰-方位型天线座结构型式,俯仰叉臂内侧安装天线阵面,俯仰轴通过天线阵面重心,天线上安装光电望远镜,同时叉臂外侧预留光电望远镜安装接口。方位和俯仰均采用力矩电机套轴直接驱动的形式,采用多极旋转变压器作为角度传感器。天线阵面和天线座结构如图1所示。

图1 天线阵面和天线座结构三维示意图

1.1 天线座的结构组成

俯仰-方位型天线座结构承载大,精度高,结构紧凑,结构刚性好,便于维修。其主要组成有方位传动、俯仰传动以及辅助功能模块。辅助功能模块有起保护作用的锁定装置、缓冲器等。俯仰传动和方位传动为各组合、模块以及外购件等提供合理的安装位置以及线缆转接接口。

(1) 俯仰传动装置

俯仰传动装置主要由俯仰壳体、俯仰电机、主轴(由2个半轴组成)、轴承、轴承座、多极旋变等组成。俯仰传动装置通过2个半轴将天线阵面连接在一起。2个半轴互相独立,自成体系。每个半轴通过2个角接触球轴承背靠背安装进行定位和支撑。其中一个半轴同轴安装力矩电机,实现天线阵面俯仰转动;另一个半轴安装多极旋变,实现天线阵面俯仰角度的实时采集。俯仰传动装置主要组成如图2所示。

图2 俯仰传动装置主要组成示意图

(2) 方位传动装置

方位传动装置主要由方位壳体、方位杯型件、方位轴承、下方位壳体、方位电机、多极旋变和汇流环组成。方位传动装置通过轴承将方位壳体与杯型件相连,方位壳体通过方位安装面与炮架安装台相连,方位杯型件通过螺栓与俯仰部分连接组成天线座。方位传动通过力矩电机套轴驱动,实现天线阵面方位转动。通过多极旋变同轴安装,实现天线阵面俯仰角度的实时采集。方位传动装置主要组成如图3所示。

图3 方位传动装置主要组成示意图

(3) 锁定装置

该天线座方位、俯仰传动均安装有自动锁定装置,锁定装置选用经其他成熟系列雷达充分验证、并已作为通用件推广使用的自动锁模块。方位锁及俯仰锁结构外形如图4所示。

图4 锁定装置三维结构示意图

图5 俯仰缓冲器三维结构示意图

(4) 俯仰缓冲装置

由于该雷达俯仰转动范围为-16°~+68°,需安装缓冲器来防止失控而损坏天线和线缆。本文按照《雷达天线座缓冲器通用设计方法》对俯仰缓冲器进行设计。

1.2 天线座主要参数分析计算

(1) 天线座典型载荷计算

对于俯仰-方位型天线座,所受的主要载荷有惯性力矩、风力矩、摩擦力矩和不平衡力矩等[7]。通过计算天线座的典型载荷,得到天线座方位传动和俯仰传动的总力矩,为俯仰电机和方位电机的选型提供指导:

(1)

M1=(J+m×r2)×β

(2)

M2=M5+F×r+M6

(3)

M3=μ×G×r

(4)

M4=G×r×sinα

(5)

式中:M总为总力矩;M1为惯性力矩;M2为风力距;M3为摩擦力矩;M4为不平衡力矩;M5为重心位置风力矩;M6为转动阻尼风力矩;J为转动惯量;m为阵面天线的质量;r为重心距离;β为角加速度;μ为滑动摩擦系数;G为载荷;α为最大倾覆角。

典型载荷按照均方根进行计算的结果如表1所示。

表1 典型载荷计算结果

(2) 天线座轴系精度分析

(a) 方位轴与俯仰轴的不垂直度

对于方位俯仰型天线座,影响其方位轴和俯仰轴不垂直度的因素主要有2种类型:一种是加工公差(如壳体的尺寸公差,形位公差(同轴度、平行度、垂直度)等);一种是轴承的精度。加工公差是固有因素,可以少量进行调整,轴承精度是随机产生的,无法调整。

设δ为高度差,L为跨度,根据设计计算出方位轴线和俯仰轴线的不垂直度:

α=arctan(δ/L)×3 600″≈19.06″

(b) 水平调整剩余误差

(c) 光机匹配调整剩余误差

此部分主要靠调整环节、操作者经验、光机匹配工装的精度来保证,以往成熟产品的生产工艺可将该误差控制在≤30″的范围内。

2 模态分析及试验验证

模态是结构的固有属性[8],与产品的性能、寿命、安全性以及可靠性、经济性等息息相关。为了适应雷达快速响应的要求,减小伺服系统的动态跟踪误差,天线座的一阶固有频率应尽量提高[9]。

2.1 模态分析

由于试验时天线座安装于振动支架上,为了使试验和仿真边界条件相同,便于分析比较,在有限元分析模型中增加振动支架的有限元模型,可以进一步提高有限元分析和建模的正确性和准确性[10]。

本文首先通过UG软件建立天线座和振动支架的三维模型,利用Hypermesh有限元前处理软件对天线座结构进行离散,考虑到模型准确性与建模经济性,对结构进行适当的简化,删除对仿真结果影响较小的圆角、倒角等特征,得到天线座有限元模型。天线座模型离散为四面体单元;用梁单元模拟轴承连接;螺栓连接用刚性单元与梁单元结合的方式模拟;小质量设备采用质量点单元模拟,并通过柔性单元连接到对应安装面上。

模态计算时,约束振动支架的底部,基于Lamczos法对天线座模型进行计算,得到其前四阶模态结果如图6所示。

图6 天线座前四阶模态

由图6可看出:天线座的一到四阶模态分别约为30.1 Hz、35.5 Hz、39.9 Hz、76.7 Hz。一阶模态为天线座横向的摆动,二阶模态为天线座射向的摆动,三阶模态为方位传动的摆动,四阶模态为俯仰传动的摆动。各阶模态中振动支架几乎没有变形,说明其对天线座的模态几乎没有影响,设计合理。

2.2 试验验证

利用单轴振动台对天线座射向、横向以及垂向进行扫频试验,从而获取各方向的固有模态。试验采用对数扫频法,通过设置恒定加速度或恒定位移(如表2所示),进而获得被测试件不同频率下的响应,此方法可在保证试验准确性的同时缩短试验时间[11]。

表2 扫频试验参数

扫频试验获得的响应数据为随时间变化的时域信息,且加速度数据样本为离散形式。将这些时域信号通过傅里叶变换可以获得对应的频域信号,得到不同频率下天线座的功率谱如图7所示。

图7 天线座扫频频域数据

由图8可知,天线座进行扫频试验得到其固有频率射向为35 Hz,横向为30 Hz,垂向为83 Hz。将各轴向固有频率按照从低到高排序,并与有限元分析频率和振型对比,如图8所示,发现试验结果缺少第三阶模态。王飞朝[12]在试验中也发现了此模态丢失现象。主要是由于振动台是单轴,且施加激励量级较小的原因导致,不影响后续分析。把仿真分析与试验结果进行比较,最大误差7.6%,说明天线座有限元仿真的准确性高。根据各阶模态的分布情况、固有频率的大小及振型,可认为该天线座的设计是合理的,能够满足该舰载火控雷达的使用要求。

图8 雷达天线仿真与试验对比

3 结束语

本文对某舰载火控雷达的天线座总体结构方案设计进行简要描述,建立天线座的三维模型,计算其所受的主要载荷及轴系精度,利用有限元分析软件对天线座进行模态分析,提取前四阶模态并与试验结果进行对比。结果表明:试验与仿真间的误差小,验证了有限元模型仿真的准确性,以及有限元分析在降低研发成本方面的必要性和可行性。该天线座精度高,稳定性强,可靠性高,满足系统指标要求。

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