某車載雷達天線座支座焊接結構的工程分析與研究

劉薇娜 ，常豐吉 ，李玉軍 ，錢雨松 ，吳玉彬 ，田興志

(1.長春理工大學，吉林 長春 130022；2.滕州高級技工學校，山東 滕州 277500；3.長春光華微電子設備工程中心有限公司，吉林 長春 130033；4.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

0 前言

某車載雷達天線座（見圖1）是支撐雷達天線對目標進行探測跟蹤的裝置。通過雷達天線座伺服控制系統，使雷達天線按照預定的規律運動或者跟隨目標運動，準確地指向目標，并且通過它能精確測出目標的方向[1]。

某車載雷達天線座是雷達天線和發射機、接收機的載體。它由俯仰系統、方位系統和基座構成。基座通過起臥軸完成工作狀態與運輸狀態的轉換。在車載雷達天線座的俯仰系統上，安裝有天、饋線及俯仰箱體（內裝發射機、接收機），并帶動這些設備一起做方位與俯仰運動。某車載雷達天線座內部裝的方位水關節、俯仰水關節、電纜卷繞機構，同時為天、饋線系統及發射機、接收機提供電信號及冷卻水。

圖1 某車載天線座結構示意

某車載天線座在液壓油缸的作用下，通過起臥軸將方位軸、俯仰軸和天線等放倒在雷達載車的車廂上，為運輸狀態；也可以將天線座豎立位置，為工作狀態。

制動支座和驅動支座在天線座上起著非常重要的作用，是俯仰系統上的軸承座。由于雷達天線座的精度比較高，因此，車載雷達天線座對支座的強度、剛度、穩定性和質量等都提出了較高的要求。

1 支座結構形式

大型結構件基本采用兩種結構形式即可達到精度指標，即鑄造結構和焊接結構。

以往的高精度大型框架結構件多采用鑄造成形，由于鑄件結構的穩定性好，容易保持大型框架結構件的精度。受當前鑄造工藝水平的限制，較大的框架結構件一般壁厚在10 mm以上，鑄造出的零件都質量較大，使得相應的軸承和軸承座等部件的承載能力要增加許多，伺服電機驅動力也要增大的，導致設備整體結構較大，機械加工制造以及裝配都比較困難，使設備的成本增加。經過進行相應的有限元分析和計算，得出增加壁厚有時對增加剛度的影響較小，但對增加質量的影響很大，但是，同樣的剛度因為截面形狀不同其質量會差別很大。因此，應該找到一種即能滿足系統的強度和剛度的需求，又能使其質量減輕，并且有利于進行機械加工制造的焊接結構的具體形式。

焊接結構的優點：

（1）鋼板材料的彈性模量、切變彈性模量分別是鑄鐵的 1.3～1.7 倍和 1.8 倍，因而在保證等剛度的前提下，焊接結構可比鑄造結構減輕質量40%以上[2]。

（2）鑄件壁厚不能太小，相鄰壁厚差別不能懸殊太大。一般鑄造件內部筋板的壁厚在10mm以上，而焊接結構一般取為6～10 mm，減少了較多不必要的質量。

（3）焊接結構設計的自由性比較大，可以設計出的密閉式箱體結構形式，其強度和剛性比較大，并且固有頻率比單層壁可增大2～5倍[3-4]。

通過上述分析得知，焊接結構件采用了密閉、對稱結構形式，可以使得焊接應力和變形比較小。只要焊接件采用對稱結構形式，并加以相應的時效處理等措施，就能保證焊接結構件的尺寸穩定性。

3 支座的焊接結構設計

在俯仰系統中，驅動支座和制動支座分別是俯仰軸系的左、右兩個軸承座，承擔著中心架、雷達天線和外掛箱體等質量，這就要求驅動支座和制動支座剛度大，又因為它們安裝在方位系統上，要求它們的質量必須輕，因此設計時，既要充分考慮到驅動支座和制動支座的強度和剛度要求，又要考慮方位電機的功率和力矩等參數。驅動支座和制動支座采用三層薄鋼板+夾層鋼板焊接形成封閉箱體來代替單層厚鋼板，從而在保證強度和剛度的前提下，減輕它們的質量。

三層薄鋼板+夾層鋼板的封閉箱體的結構的設計思想是在三層薄鋼板中間分別夾一層薄鋼板焊接成封閉箱體來代替厚鋼板，同時下面與鋼板、上面與鍛件焊接在一起。比較面積和質量相同的三層薄鋼板+夾層薄鋼板的封閉箱體和厚鋼板，封閉箱體的抗彎剛度、抗扭剛度、抗壓剛度明顯大于單層厚鋼板，因此，在相同表面積、抗彎剛度、抗扭剛度以及抗壓剛度的封閉箱體要比單層厚鋼板的質量輕。因此，車載雷達天線座俯仰系統上的驅動支座和制動支座采用這種焊接結構，既可以減小質量，又能獲得較好的剛度效果。

驅動支座由驅動支座上蓋和驅動支座底座組成，其中驅動支座上蓋是半圓鍛件，與驅動支座底座上的半圓鍛件合為一個整圓鍛件，然后分開，半圓鍛件與鋼板焊接成驅動支座底座，最后驅動支座上蓋和驅動支座底座組合加工；制動支座與驅動支座類似，只是加工的腔體不同：驅動支座里面裝有力矩電機等，而制動支座里裝有制動機構等。

驅動支座底座的三層板+夾層板的封閉箱體的結構的具體形式如圖2所示。

圖2 驅動支座底座的三層板+夾層板的封閉箱體的結構

4 支座的有限元分析

利用三維設計軟件UG建立焊接結構件，即驅動支座和制動支座的三維模型，同時通過計算機進行有限元分析，實現對驅動支座和制動支座進行優化設計，并計算出驅動支座和制動支座的變形，改變了原來通過傳統必須依靠實物模型進行研究的形式，因此，有限元分析降低了結構焊接件設計的技術風險和設計成本[5-6]。

驅動支座和制動支座均采用16Mn鋼，其屈服極限為 345MPa，抗拉強度 510～600MPa，彈性模量為207GPa，泊松比 0.3[2]。

根據驅動支座和制動支座所承受的載荷和邊界條件，以及材料的彈性模量和泊松比，對支座進行有限元分析，如圖3所示，得知在節點26682處變形最大，為0.464mm，節點 24987處變形最小，為0.302mm，都在設計要求的剛度和變形范圍之內。

4 結論

根據制動支座和驅動支座的具體結構和有限元分析結果可以看出，支座的設計完全滿足天線座的使用要求。通過實際的工程證明，采用三層板+夾層板的封閉箱體代替厚鋼板完全滿足設計和使用要求。

圖3 制動支座和驅動支座有限元分析

[1]吳鳳高.天線座結構設計[M].西安：西北電訊工程學院出版社，1986.

[2]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.

[3]張景旭.大型跟瞄架方位軸系的研制[J].光學精密工程，1996，4（2）：73-77.

[4]郭 勁，張景旭.大型光電跟蹤架采用焊接結構的工程分析與研究[J].光學精密工程，1996，4（4）：60-67.

[5]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

[6]陳火紅.MSC.Patran/Marc培訓教程和實例[M].北京：科學出版社，2004.