某艦載雷達發射機機柜抗沖擊仿真分析

孟慶鵬，莊文許，顧鄭強

(1. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室, 南京 210003；2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

某艦載雷達發射機機柜抗沖擊仿真分析

孟慶鵬1，莊文許2，顧鄭強2

(1. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室, 南京 210003；2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

針對某艦載雷達發射機機柜抗沖擊設計要求，進行了機柜的抗沖擊仿真分析。利用動力學分析方法，在抗沖擊仿真軟件中建立了機柜的仿真模型，在顯式動力學分析步中將沖擊譜時域曲線直接作用于機柜上的連接部位，并根據減振系統的實驗數據計算得到發射機機柜在垂向、橫向和縱向設計沖擊譜作用下的沖擊響應。結果顯示，最大應力均不超過材料抗拉強度的90%，滿足強度設計指標，為后續抗沖擊試驗提供了理論依據。

抗沖擊；雷達系統；機柜；減振系統

0 引 言

相對艦艇有一定距離的水下非接觸爆炸作用將引起艦艇突發的瞬態相對運動，該運動對艦艇而言就是沖擊載荷。沖擊載荷對艦總體、設備和船員的作用，是關鍵的破壞因素之一，需要在艦船研制時予以全面考慮并對設備進行良好的防護[1]。目前，主要有3種抗沖擊設計方法：等效靜力、動態設計分析法和時域模擬法。

時域模擬法考慮各種非線性因素的影響，可以較真實地反映系統的動力學特征，應用廣泛。汪玉等對一類船舶設備的限位器進行抗沖擊剛度計算，并運用帶間隙的彈簧單元逼近限位器的沖擊剛度，實現了非線性系統沖擊響應模擬[2]；林道福等在總體坐標系下建立了浮筏隔振系統的運動方程，并采用直接積分法計算了在基礎沖擊激勵下的動力響應[3]。

發射機是艦載雷達系統的重要件，在沖擊載荷作用下，受到自身重量和安裝在其內部組件重量產生的慣性力，產生沖擊響應和變形。本文采用時域模擬法[4]對某艦載雷達系統發射機機柜進行抗沖擊仿真計算。首先，在抗沖擊仿真軟件中建立機柜的仿真模型，將內部組件簡化為質點耦合到相應的安裝部位，然后將沖擊載荷時域沖擊譜作用于發射機機柜與減振系統的連接部位獲得機柜的沖擊響應和應力，最后依據減振系統的試驗數據估計機柜實際工況下的應力分布。計算結果表明所設計的機柜在沖擊載荷作用下是安全的，為產品的抗沖擊試驗、驗收等程序提供依據。

1 問題描述

如圖1所示，艦載雷達發射機機柜通過減振系統安裝在艦艇甲板上，底部通過4個減振器與艦艇甲板連接，背面通過2個減振器與艦艇艙壁連接，沖擊載荷即通過這6個減振器傳遞至發射機機柜上。

本文的任務是依據隔離系統的設計沖擊時域曲線，計算骨架的應力分布、連接作用力等，校核骨架的強度。

圖1 發射機機柜安裝示意圖

2 問題求解

2.1 計算原理

沖擊過程中，減振器的剛度和阻尼是非線性和時變的[5]，其參數難以準確獲得，增加了仿真的復雜度，甚至與實際隔離系統相差太大以至于仿真結果沒有參考意義。因此，本文采用數值計算和實驗經驗相結合的方法來校核機柜的強度。首先計算剛性連接情況下的沖擊響應和應力分布，然后根據減振系統的實驗經驗，采用折算系數來估計應力分布，進而校核機柜的強度。

顯式動力學適合于分析物體受沖擊載荷并在結構內部發生復雜相互作用的瞬態響應問題。沖擊問題即是此類問題。在整個運算過程中采用中心差分算法求解平衡方程，運用動態方程在每個微小的增量步內的動力學條件計算下一個增量步的動力學條件。

在動力學有限元分析中，系統的求解方程式為[6]

(1)

對于單個節點，阻尼矩陣和剛度矩陣為零，所以單個節點平衡方程轉化為

(2)

在當前增量步的t時刻，計算加速度為

(P-I)|(t)

(3)

在計算速度的變化時假設加速度是一個常量，應用這個速度的變化值加上前一個增量步中點的速度來確定當前增量步中點的速度。采用中心差分方法對加速度在時間上進行積分并可得到速度和加速度方程：

(4)

(5)

由此可見，利用顯式動力學求解復雜的非線性問題時不必聯立方程組進行求解，每一個增量步的計算成本很低，有效地提高了計算效率。

2.2 約束條件

在抗沖擊仿真分析軟件中建立發射機機柜的仿真模型，如圖2(a)所示。將內部安裝組件處理為質心，并耦合到相應的安裝部位。在發射機骨架底部和背面連接減振器的部位分別建立參考點，并耦合至對應的連接部位。圖2(b)是骨架底部連接部位的耦合參考點，圖2(c)是骨架背部連接部位的耦合參考點，各耦合參考點如圖中RP-i(i=2, …, 7)所示。

(a) 發射機機柜模型

(b) 底部約束和耦合參考點

2.3 驅動輸入

按照設計要求，安裝區域的設計沖擊譜如表1所示。該加速度可以用雙三角形時域曲線表示[8]，如圖3所示，計算公式如式(6)所示。

(6)

式中，A0、V0和D0為該系統設計沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。計算得3個方向時域沖擊曲線的參數如表2所示。

表1 安裝區域隔離系統設計沖擊譜

圖3 雙三角形時域曲線

表2 安裝區域減振系統設計沖擊時域曲線參數

本文采用顯式動力學方法。將該加速度時域曲線直接作用于各連接部位的耦合參考點上，計算獲得所需要的結果。

3 計算結果與分析

計算獲得機柜分別在3個方向沖擊載荷作用下的應力分布時變過程，取沖擊過程中3個方向應力最大時刻的結果，如圖4～6所示。結果顯示，剛性連接時，發射機機柜在受到垂向、橫向和縱向沖擊載荷時最大應力分別為241.5、189.6和146.8 MPa。

所選用材料抗拉強度為σb=231 MPa，根據抗沖擊試驗大綱，沖擊作用下應力應小于所選材料抗拉強度的90%，即208 MPa。使用減振器后，在相同的工況下，骨架的應力將降低。不同減振器對應力的折算系數不同，考慮可靠性，選擇折算系數小于0.8的減振器。

圖4 t=34 ms垂向沖擊應力響應云圖

圖5 t=28 ms橫向沖擊應力響應云圖

圖6 t=27 ms縱向沖擊應力響應云圖

4 結束語

針對艦載雷達系統抗沖擊性能設計要求，對某系統發射機機柜進行了抗沖擊仿真分析。

(1) 利用顯式動力學分析步，分別計算了發射機機柜不使用減振器的工況下在垂向、橫向和縱向沖擊載荷作用下的沖擊響應和應力分布。

(2) 不使用減振器工況下，發射機機柜在受到垂向、橫向和縱向沖擊載荷時最大應力分別為241.5、189.6和146.8。根據抗沖擊大綱要求并考慮可靠性，選擇折算系數小于0.8的減振器。

(3) 理論分析的結果為后續試驗和產品驗收等工作提供了參考。在后續的抗沖擊試驗中該發射機機柜沒有出現破壞情況，表明理論分析結果具有重要的參考價值。

[1] 汪玉, 華宏星. 艦船現代沖擊理論及應用[M]. 北京: 科學出版社, 2005.

[2] 汪玉，胡剛義，華宏星，等.帶限位器的船舶設備非線性沖擊響應分析[J]. 中國造船， 2003, 44(2): 39-44.

[3] 林道福,與永豐,華宏星.帶限位器的浮筏隔振系統的沖擊響應分析[J].噪聲與振動控制,2004,46(1):36-43.

[4] 張影.船用齒輪箱抗沖擊計算方法分析[D].哈爾濱工程大學,2010.3.

[5] 馮麟涵,汪玉,張磊.艦船設備抗沖擊能力的可靠性分析[J].振動與沖擊,2013,32(1):140-144.

[6] 莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社，2009：190-191.

[7] 郝貴祥，王紅巖，洪煌杰.空降車著陸緩沖過程仿真研究[J].機械科學與技術，2012，31(2)：340-344.

[8] 姜濤,王偉力,黃雪峰,等.艦艇抗沖擊設計中正負三角波沖擊譜分析與應用[J].海軍航空工程學院學報,2010,25(2):145-148.

Research on anti-shock simulation of transmitter cabinet of a shipborne radar

MENG Qing-peng1, ZHUANG Wen-xu2, GU Zheng-qiang2

(1.Military Representatives Office for Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003; 2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

An anti-shock simulation of the transmitter cabinet of a shipborne radar is analyzed according to the anti-shock design requirements. The simulation model is built through the anti-shock simulation software and the dynamic analysis method. The shock spectrum time-domain curve is directly applied on the connecting parts of the cabinet in the explicit dynamic analysis steps. According to the test data of the shock absorber system, the shock responses of the cabinet under shock spectrums from vertical and horizontal orientations are obtained. The simulation result indicates that the maximum stress is less than 90% of the tensile strength of the materials, which satisfies the strength index and provides a theoretical basis for the following anti-shock tests.

anti-shock; radar system; cabinet; shock absorber system

2014-05-13；

2014-05-20

孟慶鵬(1983-)，男，工程師，研究方向：雷達總體技術；莊文許(1985-)，男，工程師，博士，研究方向：結構設計與機電系統仿真；顧鄭強(1981- )，男，工程師，碩士，研究方向：結構耐振與抗沖擊設計。

TN957.82

A

1009-0401(2014)03-0039-04