某雷達天線主塔受力分析

樊友軍，王乾峰，仙 錦

(南湖機械總廠，湖北 荊州 434007)

某雷達天線主塔受力分析

樊友軍，王乾峰，仙 錦

(南湖機械總廠，湖北 荊州 434007)

米波雷達由于天線陣面口徑大，天線主塔受力復雜，其結構的安全性和可靠性一直是結構設計的重點。在某型雷達的研制過程中，對主塔的受力情況進行了仿真分析，在樣機上對仿真狀態下的應力進行了理論計算、仿真分析和應力測試，并對理論計算、仿真分析和應力測試3種方法所得到的數據進行了比對分析，發現其結果存在一定的差異。對產生差異的原因進行了分析，找出應力變化、傳遞的規律，為類似結構設計提供參考依據。

雷達；天線；主塔；應力；仿真；測試

圖1 某系列雷達主塔結構形式示意圖

由于米波雷達單元天線布局稀疏，陣面口徑較大，天線陣面結構常以天線主塔為基礎展開布置。隨著新技術在雷達天線上的應用，某系列雷達天線陣面的重量由不足2t增加至近7t；為了提高雷達的機動性，天線的舉升/倒架傳動機構由手動+電動絞車、電動絲桿螺母衍變為到液壓傳動，時間由20min縮短至3min。因此，其主塔的結構形式由簡單的桁架結構衍變為箱式板塊復合桁架結構，如圖1所示。雷達工作時，天線陣面所承受的載荷通過主塔傳遞到轉盤及天線座車上，主塔結構的剛強度直接影響到天線的穩定性和指向精度[1]。下面，筆者根據天線陣面預計的載荷對主塔進行結構設計，利用Ansys軟件對主塔進行仿真分析，及時修改設計參數，在樣機上進行應力測試，通過對理論計算、仿真分析和應力測試的結果進行比對，找出應力變化、傳遞的規律，為類似結構設計提供參考依據。

1 工況及分析說明

1.1工況

1.2分析說明

通過前期計算，天線主塔在舉升的初始狀態時受力最大，工作狀態時天線陣面在風載作用下對座車抗傾覆支腿產生的傾覆力矩最大。筆者僅研究主塔的受力情況，故在進行計算、仿真和測試的過程中只考慮天線舉升初始狀態時在自重的作用下對主塔所產生的拉壓應力。

2 仿真分析

主塔結構由簡單的桁架結構衍變為箱式板塊復合桁架結構，此結構為典型的板殼結構，采用板殼模型進行計算能較好的反映主塔的實際受力情況。三維板殼幾何模型的具體結構形式、幾何形狀、尺寸參數及各構件的連接關系均與原結構保持一致，不做過多的簡化，假設各構件的焊接為理想焊接。主塔選用的材料為Q345B，密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，許用應力σ=220MPa。按照主塔舉升的初始狀態時受力情況對模型給定載荷，經分析主塔應力云圖如圖2所示，各點應力值見表1(“-”表示拉應力)。

圖2 主塔應力云圖

3 應力測試

試驗采用電測法對雷達主塔進行應力分析。電測法主要是通過貼在構件被測點處的應變片，將被測點的應變值轉換為應變片的電阻變化，再利用電阻應變儀測出應變片的電阻變量，并直接轉換輸出應變值,然后依據虎克定律計算出構件被測點的應力值的大小，是將物理量、力學量、機械量等非電量通過敏感元件轉換成電量來進行測量的一種方法[2]。電阻變量與應變值關系如下：

式中,Ks為金屬細絲的電阻應變靈敏系數；R、l分別為敏感柵金屬細絲的電阻、長度；ΔR、Δl分別為測試前后金屬細絲的電阻、長度變化量。

圖3 測量電橋

試驗采用TST3826靜態應變測試系統，最高采樣頻率1Hz；最高分辨率1με；測量應變范圍±20000με。3片直角應變花若干(電阻119.8±1Ω，靈敏系數2.08%±1%，柵長×柵寬：5 mm×3mm)。

為消除溫度變化等因素對測量精度的影響，分組對測點進行了相應的補償，如圖3所示。采集舉升初始狀態下主塔上應變片的應變值，得到相應的數據。由于設備誤差，倒架狀態的初始應變為0，主塔離開支架后所測應變值也存在一定的波動。為減小誤差，對數據進行如下處理：將倒架狀態和恢復到倒架狀態的應變值取平均，作為初始應變；將舉升初始狀態下的較穩定的測量數據取平均，作為測量應變值；將測量應變值減去初始應變值，得到該點最終實測應變值。各點應力值見表1。

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4 理論計算

對主塔結構進行簡化處理后，按照靜力學和材料力學的方法對主塔特殊部位進行受力分析。

4.1支座定點應力計算

4.2側壁前面應力情況

轉點受力簡圖如圖5所示，其中F1,F2,F3為拉力，N。

圖4 支座受力示意圖 圖5 轉點受力簡圖

根據平面任意力系的平衡方程有：

F1cos4°+F2cos33°-F3cos87°+71.3×104=0

F1sin4°+F2sin33°+F3sin87°+3.6×104=0 32F1-42F2+240F3=0

得：

F1=-62.15×104NF2=-10.54×104NF3=6.44×104N

從而應力σ1，σ3計算如下：

5 數據比對分析

表1 應力值對比表

主塔各點測試應力值、有限元仿真分析應力值和特殊點的計算應力值見表1。通過比較可以看出，有限元分析、應力測試和理論計算的結果存在一定的差異，造成差異的原因主要有以下幾點：①在對復雜的空間桁架結構建模時進行了簡化或近似處理，對仿真的結果有一定的影響；②在應變片粘貼的初始狀態與有限元分析的邊界條件不一致，導致結果存在一定差異[3]；③理論計算時對結構進行了簡化處理，使其計算結果存在一定的差異。

6 結 語

通過對某型雷達天線主塔在特定的受力環境下進行有限元分析、應力測試和理論計算的應力值進行比對，發現其值存在一定的差異，但其變化趨勢一致。對產生差異的原因進行了分析，為類似結構的設計提供了一定的參考依據。在進行受力分析和驗算時應采取多種方式，力求與實際工作狀態相近，其結果將對結構設計起到更好的指導作用。

[1]朱鐘淦，葉尚輝.天線結構設計[M].北京：國防工業出版社，1979.

[2]王琦.電測法在應變測量中的應用簡述[J].濰坊高等職業教育，2009，5(4)：67-68.

[3]王曉紅，朱志遠.某雷達前梁的應力測試及仿真分析[J].電子機械工程，2009，25(5)：53-55.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.047

TN957.8；TP15

A

1673-1409(2012)06-N145-03