艦船用雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

趙廣濤，李潤林，薛宜童

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

艦船用雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

趙廣濤，李潤林，薛宜童

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

根據(jù)艦船平臺的特點和要求以及雷達技術(shù)多功能、一體化、高集成度的發(fā)展趨勢，從天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計、輕型材料及其工藝技術(shù)研究等方面，對天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)進行了分析和探討，并結(jié)合某項目天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進行了適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作。該優(yōu)化設(shè)計方法也可以應(yīng)用在其他裝備產(chǎn)品的適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，尤其是艦船用雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作中。

艦船用雷達；天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)；適裝性；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；輕型材料

0 引 言

從上世紀30年代以來，艦船用雷達一直受到各國海軍的高度重視。經(jīng)過多年的發(fā)展，其性能得到了很大提高，已成為艦船用作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著作戰(zhàn)環(huán)境的不斷變化，雷達也面臨著反輻射導彈、隱身目標、超低空突防、綜合電子干擾以及多方向、多批次、大密度飽和攻擊的威脅。為了提高雷達在復雜電磁和作戰(zhàn)環(huán)境下的探測能力，雷達正向多功能相控陣、低截獲、一體化、數(shù)字化、分布式和網(wǎng)絡(luò)化、高集成度等方向發(fā)展。這就要求雷達必須堅持“輕型化、小型化、組合化”的設(shè)計原則。

由于艦艇上裝備的電子設(shè)備比較多，艦船用雷達裝備必須兼顧與其他電子設(shè)備的交連與綜合。對于安裝在艦艇桅桿頂上的雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，除加強艦艇桅桿的剛強度設(shè)計外，應(yīng)嚴格控制天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量、體積等指標，避免對艦船的穩(wěn)定運行與安全產(chǎn)生不利影響。為此，需要根據(jù)艦型(大、中、小)的特點，結(jié)合可能列裝的裝備對象，在保證雷達各項電訊性能的基礎(chǔ)上，要盡可能地降低雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量和體積。這就需要開展雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究[1-4]。

目前，采用國際先進設(shè)計理念的艦船用三坐標雷達一般具有基于單面旋轉(zhuǎn)相控陣天線、分布式發(fā)射、全數(shù)字DBF接收、電子穩(wěn)定平臺等技術(shù)特點，且可靠性高、可維性好、天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)重量一般要求不大于1200 kg，以適裝于1500～3000 t的中小型艦船。針對該體制雷達中初樣機重量為1695 kg的雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，本文開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究；針對比較大的適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計技術(shù)壓力，系統(tǒng)開展了雷達天線轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計，重點從天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計、輕型材料及其工藝技術(shù)研究等方面進行研究和探討，實現(xiàn)其重量要求。

1 天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

與車載、固定式雷達有所不同，艦船用雷達通常要求的正常工作風速和不破壞狀態(tài)風速都比較高。艦船用雷達的天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的載荷通常包括風載荷、慣性載荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪載荷和溫度載荷等幾種類型。根據(jù)艦船正常工作環(huán)境和設(shè)計要求，正常工作和不破壞條件下的相對風速都非常高，風載荷在艦船用雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的載荷中通常是最大的一個因素。在某些項目中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要克服的風載荷占總載荷的比例超過80%。因此，降低天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的風載荷是提高艦船用雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性和雷達結(jié)構(gòu)可靠性非常有效的途徑。本文提出了一種艦船用雷達天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，通過將雷達天線數(shù)值風洞技術(shù)和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計理論相結(jié)合，并通過風洞試驗進行比對和驗證，用于指導雷達天線結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，有效地降低了雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的風載荷，為下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

目前，降低天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)風載荷的主要手段是通過持續(xù)多輪次的風洞試驗。在此過程中，需要不斷地通過改進天線外形結(jié)構(gòu)，并不斷地進行風洞試驗。而每次更改天線外形結(jié)構(gòu)都需要重新設(shè)計和加工風洞試驗?zāi)Ｐ停M時費力，成本也比較高。

用CFD方法對雷達天線外流場氣動力學數(shù)值模擬分析正逐步成為雷達天線設(shè)計初期的很有效的手段，其缺點是計算量大。隨著近年來處理器性能大幅提高，雷達天線外流場數(shù)值模擬分析方法的快速和成本優(yōu)勢正逐漸顯現(xiàn)。目前，在雷達天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面有著良好的應(yīng)用前景[5-8]。

本文提出的艦船用雷達天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其主要特征和流程如圖1所示，主要包括以下步驟：

步驟1 初始外形結(jié)構(gòu)方案：根據(jù)雷達總體技術(shù)和適裝性要求，結(jié)合雷達工作的環(huán)境條件，給出雷達天線的初始外形結(jié)構(gòu)方案；

步驟2 三維實體建模：根據(jù)雷達天線外形結(jié)構(gòu)方案，進行三維實體建模；

步驟3 根據(jù)CFD特點對外形結(jié)構(gòu)進行簡化：外形結(jié)構(gòu)簡化，使得數(shù)值模擬計算的效率和準確性都能兼顧；

步驟4 數(shù)值模擬：進行天線外流場數(shù)值模擬計算；

步驟5 仿真分析結(jié)果輸出：對仿真分析結(jié)果進行后處理后輸出；

步驟6 根據(jù)風洞試驗特點對外形結(jié)構(gòu)進行簡化：外形結(jié)構(gòu)簡化，使得風洞試驗?zāi)Ｐ偷目杉庸ば院驮囼灉蚀_性都能兼顧；

步驟7 風洞試驗：進行天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)模型風洞試驗；

步驟8 風洞試驗結(jié)果輸出：對試驗結(jié)果進行處理后輸出；

步驟9 外形結(jié)構(gòu)方案更新：對天線外形結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，進行新的數(shù)值模擬和風洞試驗；

圖1 艦船用雷達天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法流程圖

重復步驟3～8，直至優(yōu)化設(shè)計結(jié)束。通常步驟3～5的重復次數(shù)要比步驟6～8的重復次數(shù)多，因為不是每次數(shù)值模擬的結(jié)果都有價值。如果仿真分析結(jié)果表明某外形結(jié)構(gòu)方案的風載荷比初始結(jié)構(gòu)方案的風載荷還要大，就不需要進行風洞試驗，而直接進入步驟9。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計

在雷達天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上得出雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的總載荷。根據(jù)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的總載荷，對結(jié)構(gòu)件進行剛強度設(shè)計和校核，開展天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計工作。目前，主要從以下幾個方面開展了工作，并取得了一定的進展。

(1) 收發(fā)分機冷卻方式的選擇

固態(tài)收發(fā)分機裝放在相對密閉的機架箱體內(nèi)，采用整體防雨雪、模塊化設(shè)計。其中TR組件、大功率電源等模塊在工作中會產(chǎn)生大量的熱量, 對工作環(huán)境有一定的要求，尤其是TR組件的殼體溫度要求不大于70℃。整個收發(fā)分機的總發(fā)熱量接近10 kW。

為了將收發(fā)分機的熱量有效地散發(fā)出去，可選的冷卻方式主要有敞開式強迫風冷、循環(huán)風冷和循環(huán)水冷等3種。不論采用何種冷卻方式，冷卻介質(zhì)都需要通過多路介質(zhì)環(huán)輸送到收發(fā)分機內(nèi)部。經(jīng)過深入分析和調(diào)研，對采用這3種冷卻方式下的天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)重量進行了詳細的估算，只有在收發(fā)分機采用循環(huán)水冷的冷卻方式下天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量才可能低于1200 kg。最終選定循環(huán)水冷作為收發(fā)分機的冷卻方式。

(2) 動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

按照艦船用雷達正常工作相對風速要求，得出了方位電機的扭矩和功率需求，以此為依據(jù)選定電機。由于外形結(jié)構(gòu)的原因，盡管該項目雷達天線系統(tǒng)的重量和轉(zhuǎn)動慣量比某大型艦船用中遠程三坐標雷達天線系統(tǒng)要小很多，但是由于方位風力矩較大，所需的方位電機功率不小于15.1 kW，而后者的方位電機功率需求不大于13.9 kW。在執(zhí)行電機選擇時，由于系統(tǒng)為長期連續(xù)變載荷工作的驅(qū)動系統(tǒng)，需要根據(jù)“慣量匹配”的方法來選擇電機。根據(jù)功率需求，有3種電機可選，重量分別為50、67和86 kg。經(jīng)過認真的比對篩選以及慣量匹配計算，最后選用了小慣量電機，負載慣量折算到電機軸上兩者之比為2.59，能夠滿足使用要求，且伺服控制性能也比較好。兩型雷達所用電機功率和重量等參數(shù)如表1所示。可以看出，在滿足載荷要求的前提下，該項目選用的電機額定功率更大，但是重量更小，從而有效地降低了天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量。

表1 兩型雷達所用電機功率和重量等參數(shù)

(3) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計和剛強度校核計算

天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)方案設(shè)計的一個重要依據(jù)是負載計算結(jié)果。根據(jù)載荷計算結(jié)果來進行結(jié)構(gòu)件的剛強度校核和電機功率校核，從而進行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和電機、減速箱選型。

首先進行關(guān)鍵受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行三維建模。根據(jù)載荷計算結(jié)果，對關(guān)鍵受力構(gòu)件進行了初次的剛強度計算和校核。接著，根據(jù)初步的剛強度計算結(jié)果以及結(jié)構(gòu)學和力學的相關(guān)知識，進行關(guān)鍵受力構(gòu)件的優(yōu)化減重設(shè)計，甚至是重新設(shè)計。然后，對優(yōu)化減重設(shè)計后的關(guān)鍵受力構(gòu)件進行剛強度計算和校核。上述過程反復進行，才能有效地減輕關(guān)鍵受力構(gòu)件的重量，從而降低天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量，達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計的目的。減重優(yōu)化設(shè)計和剛強度校核計算流程如圖2所示。

圖2 減重優(yōu)化設(shè)計和剛強度校核計算流程圖

剛強度分析僅僅是個目的而不是結(jié)果。對于有限元分析得出的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，如果表明最大應(yīng)力點的應(yīng)力遠小于材料的可承受應(yīng)力水平，最大變形遠小于設(shè)計要求，表明結(jié)構(gòu)件的剛強度能夠滿足設(shè)計要求，而且設(shè)計較為保守。要想達到優(yōu)化減重的目的，需要進一步設(shè)計和分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計，該加強的部位加強，該減重的部位就要進行減重設(shè)計。這個過程是一個不斷反復的過程，而且非常繁瑣，需要花費大量的時間和精力，才能取得比較好的效果。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計過程中，必須始終保證關(guān)鍵受力構(gòu)件的強度留有足夠的余量，以確保雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性。

3 輕型材料及其工藝技術(shù)研究

艦船雷達裝備結(jié)構(gòu)上大部分采用鋼材、鈦合金或鋁合金，并有一定數(shù)量采用復合材料。在該演示驗證雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)方案中，就采用了輕型金屬材料鈦合金和鋁合金，并采用了一定數(shù)量的復合材料。

目前，真正用在雷達結(jié)構(gòu)上的高性能復合材料還不多。為了提高雷達抗惡劣環(huán)境條件的能力，實現(xiàn)雷達的輕量化和小型化，一些先進的復合材料，如碳纖維復合材料，隨著工藝技術(shù)的進一步發(fā)展和材料成本的逐步降低，必將在雷達結(jié)構(gòu)中得到越來越多的應(yīng)用。

在選用工程材料或復合材料時，還必須考慮材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性，并根據(jù)所用的材料選擇相應(yīng)的工藝處理方式，通過工藝處理獲得所需要的力學或工藝性能。

4 適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

結(jié)合某項目雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，從天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計、輕型材料及其工藝技術(shù)研究等方面進行了分析和論證，取得了較好的效果，最終達到了預(yù)期目的。該項目雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)優(yōu)化前后的重量比較見表2。

表2 雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)優(yōu)化前后的重量比較

5 結(jié)束語

本論文中提出和采用的天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)思路和方法，適用于該項目雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，取得了較好的效果。由于所采用的技術(shù)路線、技術(shù)手段和仿真分析工具具有一定的普遍性，因此，本文提出的技術(shù)思路和方法也可以廣泛應(yīng)用在其他裝備產(chǎn)品的適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，尤其是艦船用雷達天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作中。

[1] 趙廣濤,李潤林,毛俊東.艦船用雷達平板天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].雷達與對抗,2014,34(1):50-52.

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[4] 平麗浩,黃普慶,張潤逵.雷達結(jié)構(gòu)與工藝(下冊)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

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[8] 陳文英,陳玲.海用雷達技術(shù)及其進展[J].艦船電子對抗,2008,31(4):25-28.

Structural optimum design on mounting adaptability of antenna rotary platform system of shipborne radars

ZHAO Guang-tao, LI Run-lin，XUE Yi-tong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

According to the characteristics and requirements of the ship platform as well as multi-functional, highly integrated development trends of radar technologies, structural optimum design technologies on mounting adaptability of the antenna rotary platform system are analyzed and discussed in terms of antenna external flow field structural optimum design, structural lightening design, lightweight material, and technical skills. The structural optimum method is applied in a project, and it can also be applied in other equipment products, especially in the antenna rotary platform system of shipborne radars.

shipborne radar; antenna rotary platform system; mounting adaptability; structural optimum design; lightweight material

2014-04-11

趙廣濤(1976-)，男，高級工程師，博士，研究方向：雷達結(jié)構(gòu)工藝和總體技術(shù)；李潤林(1979-)，男，高級工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計；薛宜童(1979-)，男，工程師，研究方向：大氣與海洋類雷達系統(tǒng)。

TN957.8

A

1009-0401(2014)04-0059-04