某火控雷达天线座振动特性研究

2023-11-15陈超朋张雷亭周丽阳

舰船电子工程 2023年8期

陈超朋张雷亭周丽阳乔梁

（中国电子科技集团公司第二十研究所高端电子装备工业中心西安 710068）

1 引言

随着无线电技术的发展，雷达设备广泛应用于天文，航海，航天，航空等领域，舰载火控雷达能够探测跟踪海面或者空中目标，为武器控制系统提供打击目标的实时准确的地理坐标［1］。火控雷达包含了雷达扫描系统和火力控制系统，其可靠性、快速性、机动性直接影响整个火控系统的正常工作。火控雷达天线座工作环境恶劣，需要具有较高的刚度来承受炮击时产生的振动载荷；同时伺服控制系统精度的提高，对雷达天线座的固有频率提出更高的要求，以免引起结构自振。

贺李平等［2］建立机载SAR 天线座有限元模型，进行模态与瞬态动力学分析，为机载SAR天线座轻量化设计提供了有限元快速建模和分析方法。段勇军等［3］通过对某机载雷达天线座进行理论模态分析与试验模态分析，预知天线座的动态性能并指导优化设计。弋辉［4］利用有限元分析软件ANSYS Workbench 对某雷达天线阵面及天线座进行随机振动分析，证明了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。

对复杂装配体结构进行动力学仿真分析时，易局限于模型简化的合理性，难以获取准确的振动特性。本文结合仿真与试验，探究雷达天线座的振动特性，指导雷达天线座结构的进一步设计。

2 雷达结构

雷达天线座是天线阵面的支撑和定向装置，通过天线座控制系统的俯仰传动装置和方位传动装置使天线阵面能够按照预定的规律搜索目标［5］，雷达天线座结构如图1 所示。方位传动装置具有更高的方位跟踪角加速度和一定的搜索能力，以四点接触球轴承为主要支撑形式，实现天线阵面绕方位轴0°～360°内循环工作转动；俯仰传动装置是以俯仰壳体两叉臂内的两对角接触球轴承为主要支撑形式，实现天线阵面绕俯仰轴在一定俯仰角范围内进行转动来跟踪目标。

图1 雷达天线座结构图

雷达天线座工作时需要承受来自舰炮长时间高频率的振动载荷，因此在设计振动工装时，需要模拟天线座的力的传递路径，即外载荷从与炮架螺栓连接位置传递到整个天线座。振动工装作为连接雷达天线座与振动台面的中间结构，设计的优劣与否直接影响振动试验结果的准确度与可靠度［6］。

雷达天线座振动工装设计为上下结构，整体采用槽钢焊接而成，如图2 所示。试验时，振动工装顶板与天线座螺栓安装面连接，下框架采用压板与试验台固连。

图2 振动工装结构图

3 雷达天线模态分析

模态参数是结构的固有属性，每一阶模态都具有特定的频率和振型。本文通过计算模态分析和试验模态分析两种方法获取雷达天线座的模态参数。

3.1 模型离散

利用Hypermesh 有限元前处理软件对天线座结构进行离散，基于模型准确性与建模经济性的原则，对结构进行适当的简化，得到其有限元模型［7］。天线座模型离散为四面体单元；并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，雷达天线座有限元模型如图3所示。

图3 雷达天线座有限元模型

3.2 模态仿真

本文基于Lamczos 法对天线座模型进行模态计算，其是将跟踪法和变换法组合起来的新的特征值解法，适用于求解大的稀疏矩阵的特征值。雷达天线座的前8 阶模态参数如表1 所示，其前六阶模态振型均为天线座及天线阵面的整体振动，后两阶模态振型为汇流环的局部振动。认为汇流环局部振动的原因为其质量较大，且汇流环安装架作为圆型零件，固定位置距离中心较远，轴向刚度弱。因此在后续设计中可适当增加汇流环安装架的轴向刚度，减少汇流环的局部振动。

表1 雷达天线座模态计算结果

从图4～图6 可以发现雷达天线座在前几阶模态振型中，振动工装几乎没有变形，说明其相对天线座结构刚度较大，对天线座模态响应的影响较小，设计合理。

图4 雷达天线座1阶模态

图5 雷达天线座2阶模态

图6 雷达天线座3阶模态

3.3 扫频试验

为了进一步探究雷达天线座的模态性能，对其进行扫频试验。试验采用单轴振动台，对雷达天线座的射向，横向与垂向分别扫频，获得各轴向的固有模态。由仿真分析可知其主要振型发生在叉臂位置，因此扫频试验测点布置在两叉臂顶端。试验采用对数扫频方法，通过设置恒定加速度或恒定位移，频率随扫频速率递增（扫频试验参数见表2），进而获得被测试件不同频率下的响应，能够在保证试验精度的情况下快速完成试验［8］。

表2 扫频试验参数

选取左叉臂加速度响应进行数据处理，去除电子线路干扰，去零漂、毛刺，得到雷达天线座各轴向加速度扫频试验数据如图7～图9 所示［9］。可以观察到在天线座共振时，会产生较大的加速度响应峰值，符合振动规律。

图7 雷达天线座射向扫频时域数据

图8 雷达天线座横向扫频时域数据

图9 雷达天线座垂向扫频时域数据

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，得到不同频率下的功率谱。工程中常用快速傅里叶变换算法得到功率谱，快速傅里叶变换算法又称周期图法、直接法。它将平稳信号序列的N个观察数据视为能量有限的信号，直接取数据序列的傅里叶变换，然后取其幅值的平方，进而得到信号的功率谱P(m)，离散傅立叶变换如下：

N为累加采样的点数［10～11］。对上述扫频信号采用快速傅里叶变换算法进行频谱分析，得到雷达天线座各轴向的加速度功率谱密度分布如图10～图12所示。

图10 雷达天线座射向扫频频域数据

图11 雷达天线座横向扫频频域数据

图12 雷达天线座垂向扫频频域数据

从图中可以看出天线座射向固有频率为19.2Hz和88Hz；横向固有频率为16.4Hz和79Hz；垂向固有频率为88Hz、102Hz 和112Hz。将各轴向固有频率从低到大排列，并与仿真频率与振型进行对比，如图13 所示。发现试验结果缺少第3 阶和第4 阶模态，主要考虑到试验台为单轴振动试验台，且施加激励量级较小的原因，导致无法准确测量天线座全部模态。其余试验结果与仿真中频率及振型一一对应，最大误差15.8%，满足工程要求。同时仿真与试验一阶模态频率均高于伺服控制系统带宽（5Hz）的3倍，满足设计要求。

图13 雷达天线座仿真与试验对比

4 振动传递规律

火控雷达具有自动跟踪能力，截获目标后能不断准确给出目标坐标数据，转换成火炮的射击诸元后，通过控制系统实现火炮的自动射击。每一次射击都会对雷达天线座造成一定程度的疲劳损伤。为了研究雷达天线座在炮击振动载荷下的传递规律，将天线座与炮架连接位置加速度实测数据作为载荷激励输入到雷达天线座各轴向，分析对比各测点的加速度响应及振动传递率。

目前对振动传递性能的分析主要是建立在线性系统模型或扫频试验的基础上［12］，而雷达天线座的使用环境较为复杂，处于随机振动环境中，本文通过文献［11］中推导的随机振动传递率计算公式分析雷达天线座的振动传递特性。经过公式推导得到振动传递率H(p)：

式中：Ss(p)为响应功率谱密度，Sy(p)为激励功率谱密度［13］。

4.1 垂向传递

为了探究雷达天线座的振动传递规律，在试验台进行各轴向的炮振试验。炮振载荷谱的频率为5Hz～2000Hz，试验时控制输入端位于振动台与振动支架上表面，保证载荷输入的一致性。试验共布置七个加速度测点，见图14，监测对应位置的加速度响应。其中测点1 位于雷达天线座与振动工装的连接面；测点2 位于俯仰壳体的基准平面；测点3、4 分别位于俯仰壳体的右，左叉臂顶端（从后往前看）；测点5、6 分别位于阵面与俯仰连接的右、左托架底部；测点7为阵面内部横筋位置。

图14 炮振测点布置

对试验数据进行信号处理，且快速傅里叶变换后得到各测点的加速度功率谱密度，以测点1 为基础，由式（2）计算得到其余各测点的振动传递率曲线，如图15 所示（为区分各测点响应，将振动传递率数据放大10 倍）。可以看出，各测点振动传递率曲线的峰值均对应其共振频率点，且振动传递率由天线座底部至顶部是衰减的，说明结构设计合理，自身阻尼大，能够减弱振动载荷的传递；各测点振动传递率主要峰值在600Hz以内，说明高频率振动载荷对天线座结构影响较小，可不重点考虑。

图15 各测点垂向振动传递率（×10）

图16 左右叉臂垂向振动传递率

图17 叉臂、阵面射向振动传递率

图18 叉臂、阵面横向振动传递率

在同一激励载荷作用下，雷达天线座左叉臂的加速度响应高于右叉臂，且左右拨杆具有相同的振动规律，主要认为是天线座右侧装有电机，质量高于左侧，能量耗散能力强，加速度响应小。

4.2 射、横向传递

为了更全面地了解雷达天线座的振动特性，对其射向和横向施加对应炮振载荷，进行炮振试验。通过分析发现，天线座射向与横向振动传递规律与垂向一致：各测点加速度响应峰值均出现在轴向共振频率点；同一激励下，左叉臂的振动传递率高于右叉臂；俯仰壳体右叉臂的振动传递率高于阵面，且天线座横向传递率低于射向，说明天线座抵抗横向振动的能力更强。天线阵面作为雷达天线信号发射与接收的装置，在整个雷达设备中具有绝对的重要作用。对雷达天线座的振动传递特性分析发现，天线阵面在整个结构中，承受最弱的振动载荷，说明天线座结构设计合理，天线阵面的振动环境得到优化，使得雷达整体寿命和可靠性得到提高。