基于ANSYS的某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺的有限元分析與優(yōu)化

薛珊，李彥軍，王一凡，孟憲宇，趙運來，徐龍

（1.長春理工大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，長春　130022；

2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春　130033）

基于ANSYS的某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺的有限元分析與優(yōu)化

薛珊1，李彥軍1，王一凡2，孟憲宇1，趙運來1，徐龍1

（1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130022；

2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033）

針對某方提出的在能實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，質(zhì)量更輕、剛度更大的要求，設(shè)計了某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺。運用Creo軟件進(jìn)行了雷達(dá)穩(wěn)定平臺的建模，簡化后導(dǎo)入ANSYS軟件中建立有限元模型。在建立有限元模型時，分別采用了不同劃分網(wǎng)格的方法。改變了網(wǎng)格劃分的方法，改變網(wǎng)格的關(guān)聯(lián)中心，改變網(wǎng)格的關(guān)聯(lián)度，改變網(wǎng)格細(xì)化度，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量比較，最終得到網(wǎng)格質(zhì)量最好的有限元模型。網(wǎng)格畸變度從0.6達(dá)到了0.27。進(jìn)一步改變平臺的材料，并進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了平臺前六階固有頻率。分析結(jié)果表明，改進(jìn)設(shè)計使剛度基本不變，但是質(zhì)量減輕了34.5kg，減輕了17.7%。穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、提高網(wǎng)格質(zhì)量的方法和材料的改變方法，為同類設(shè)計與分析提供了參考。

雷達(dá)穩(wěn)定平臺；網(wǎng)格劃分；模態(tài)分析；有限元分析

軍艦作為海上的一支重要力量，其海上生存、偵察、攻擊能力是十分重要的。作為提高軍艦的生存能力、偵察和反偵察的艦載雷達(dá)引起了人們的關(guān)注，而作為能使雷達(dá)正常運行、隔絕船搖的雷達(dá)穩(wěn)定平臺也成為了人們關(guān)注的熱點。如何在滿足性能的要求下設(shè)計出重量輕、體積小、精度高、剛度大、動態(tài)性能好的雷達(dá)穩(wěn)定平臺一直是近年來研究的熱點［1，2］。

針對提出的要求進(jìn)行了某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺的設(shè)計，使之達(dá)到功能要求，可以隔絕船搖。進(jìn)而對平臺進(jìn)行了有限元模型的建立。在建立有限元模型時分別采用了不同劃分網(wǎng)格的方法，并對劃分結(jié)果進(jìn)行對比。采用最優(yōu)的網(wǎng)格建立模型，改變平臺材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，分別對兩種平臺進(jìn)行了模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，改變材料質(zhì)量變輕，剛度不變。

1　某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的雷達(dá)穩(wěn)定平臺需要能夠使雷達(dá)隔絕船搖，即設(shè)計的雷達(dá)穩(wěn)定平臺最終可以使雷達(dá)既繞方位軸轉(zhuǎn)動，又繞俯仰軸轉(zhuǎn)動。

設(shè)計的某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺主要包括方位部分、俯仰部分、負(fù)載平臺、底座等。方位部分主要包括方位軸及方位軸外殼、方位軸內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩定子及轉(zhuǎn)子、編碼器、軸承、螺栓、陀螺儀等。俯仰部分主要包括俯仰軸及俯仰軸外殼、俯仰軸內(nèi)轉(zhuǎn)子力矩定子及轉(zhuǎn)子、軸承、螺栓、陀螺儀等。

運用Creo2.0軟件對其進(jìn)行了數(shù)字化建模，平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)方位軸轉(zhuǎn)動時帶動整個俯仰部分繞著方位軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，同時，俯仰部分繞著俯仰軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，最終達(dá)到負(fù)載平臺可以既繞著方位軸轉(zhuǎn)動，又可以繞著俯仰軸轉(zhuǎn)動，可以使其上的雷達(dá)各個角度轉(zhuǎn)動，達(dá)到功能要求。

圖1　某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖

某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺的初步設(shè)計為材料均采用Q235鋼的設(shè)計。為了減輕平臺質(zhì)量，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，采用了半鋼半鋁的設(shè)計，把平臺不承受很大力的部分采用了鋁。

2　某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺的有限元模型建立

2.1模型簡化

所設(shè)計的平臺零件較多，且各個零件間的連接關(guān)系較為復(fù)雜，因此必須在滿足計算精度的范圍內(nèi)進(jìn)行簡化模型［3］。模型的簡化直接影響著計算的準(zhǔn)確度和計算速度。在Creo軟件中將倒角、直徑小于2mm的孔去掉，將編碼器、陀螺儀等零件簡化為一體。簡化后的模型如圖2所示。

圖2　穩(wěn)定平臺的簡化模型

2.2材料選擇

初步設(shè)計是采用全鋼材料的全鋼結(jié)構(gòu)。改進(jìn)設(shè)計是采用半鋼半鋁材料的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)。材料參數(shù)如表1所示。

表1　所選材料的參數(shù)

兩種不同設(shè)計得到的重量分別為：全鋼結(jié)構(gòu)重196kg，鋼鋁混合結(jié)構(gòu)重161.3kg。改進(jìn)設(shè)計的平臺輕了34.7kg，使初始設(shè)計減輕了17.1%的質(zhì)量。

2.3網(wǎng)格劃分

將簡化后的模型導(dǎo)入Ansys中，賦予材料，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分向來是有限元建模的難點。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響著結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格越小，計算結(jié)果越精確，但計算速度越慢。網(wǎng)格過小還會出現(xiàn)應(yīng)力奇異現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)果失真［4］。

網(wǎng)格劃分的水平很大程度上決定有限元模型建立的水平。網(wǎng)格劃分的好壞主要評判標(biāo)準(zhǔn)是畸變度［5］。網(wǎng)格的劃分方法很多，對設(shè)計的雷達(dá)穩(wěn)定平臺分別采用了六面體劃分方法和四面體劃分方法對網(wǎng)格質(zhì)量比較；對平臺采用了添加關(guān)聯(lián)性和不添加關(guān)聯(lián)性的網(wǎng)格質(zhì)量比較；對平臺采用了改變關(guān)聯(lián)性中心的網(wǎng)格質(zhì)量比較；對平臺細(xì)化和不細(xì)化的網(wǎng)格質(zhì)量比較。網(wǎng)格比較如圖3至圖7所示。

圖3　平臺采用四面體劃分的網(wǎng)格及其質(zhì)量

圖4　平臺采用六面體劃分的網(wǎng)格及其質(zhì)量

圖5　平臺采用六面體劃分+細(xì)化的網(wǎng)格及其質(zhì)量

圖6　平臺采用六面體劃分+關(guān)聯(lián)性100及其質(zhì)量

圖7　平臺采用六面體劃分+細(xì)化+關(guān)聯(lián)性100的網(wǎng)格及其質(zhì)量

圖8　平臺采用六面體劃分+細(xì)化+關(guān)聯(lián)中心好的網(wǎng)格及其質(zhì)量

圖9　平臺采用六面體劃分+細(xì)化+關(guān)聯(lián)中心好+關(guān)聯(lián)性100的網(wǎng)格及其質(zhì)量

由圖3至圖9所示，采用不同網(wǎng)格劃分方法，所得的網(wǎng)格質(zhì)量的重要評判參數(shù)畸變度分別為0.6、0.54、0.42、0.45、0.38、0.32、0.27。畸變度（Skewness）為0～1的數(shù)，數(shù)值越小說明網(wǎng)格質(zhì)量越好。對比網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格質(zhì)量得出，采用六面體劃分方法，加上細(xì)化網(wǎng)格，添加關(guān)聯(lián)性，改變關(guān)聯(lián)中心程度會使網(wǎng)格的質(zhì)量變好。

3　模態(tài)分析

機(jī)械系統(tǒng)的固有特性是固有頻率，機(jī)械系統(tǒng)一旦確定，其固有頻率就確定下來［6］。為避免系統(tǒng)發(fā)生共振而造成損傷和破壞，必須知道系統(tǒng)的固有頻率，使其遠(yuǎn)離外界干擾頻率。進(jìn)行模態(tài)分析是為了在產(chǎn)品設(shè)計階段得到系統(tǒng)的固有頻率和振動型式，同時模態(tài)分析也是進(jìn)行其他動態(tài)特性分析的基礎(chǔ)［7］。

分別對全鋼結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計和鋼鋁混合結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計進(jìn)行模態(tài)分析，其結(jié)果如圖10和圖11所示。兩種設(shè)計的固有頻率對比表格如表2所示。

圖10　初步設(shè)計全鋼結(jié)構(gòu)的六階固有頻率

圖11　改進(jìn)設(shè)計鋼鋁混合結(jié)構(gòu)的六階固有頻率

表2　兩種設(shè)計的模態(tài)分析結(jié)果

兩種設(shè)計的一階模態(tài)分別如圖12和圖13所示。

圖12　全鋼結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)

圖13　鋼鋁混合結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)

由圖10至圖13和表2可以得出，初步設(shè)計全鋼結(jié)構(gòu)的平臺和改進(jìn)設(shè)計鋼鋁混合結(jié)構(gòu)的平臺的六階固有頻率基本相同，尤其一階固有頻率基本相同。一階固有頻率大小代表著相對剛度的大小，表明兩種設(shè)計的剛度基本相同。

4　結(jié)論

設(shè)計的某型雷達(dá)穩(wěn)定平臺能夠滿足功能要求，并運用Creo軟件對其進(jìn)行了數(shù)字化建模。運用不同的網(wǎng)格劃分方法，建立了平臺的有限元模型，諸如是否添加關(guān)聯(lián)性，是否改變關(guān)聯(lián)中心，是否細(xì)化來對比網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。最終采用質(zhì)量最好的網(wǎng)格建立有限元模型。通過對比提出了建立更好網(wǎng)格的方法。同時，對初步設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明改進(jìn)設(shè)計剛度不變，質(zhì)量減輕了17.7%。

［1］ 段勇軍，顧吉豐，平麗浩，等.雷達(dá)天線座模態(tài)分析與試驗研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010（2）：214-216.

［2］ 馮躍.空間二軸轉(zhuǎn)臺動力學(xué)分析和試驗研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

［3］ 薛華夏，俞竹青.某型機(jī)載雷達(dá)天線穩(wěn)定平臺的設(shè)計及有限元分析［J］.制造業(yè)自動化，2015，37（9）：120-123.

［4］ 李先鵬，陳光闊，韓興昌.扭矩軸類零件有限元分析方法探討［J］.制造業(yè)自動化，2015（4）：86-87.

［5］ 焦華超，孫文磊.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在三維旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣動特性分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2012（6）：98-100.

［6］ 楊釗.某雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［7］ 李學(xué)京，劉燕，陳鮑.大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備限位裝置的設(shè)計及ANSYS分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2013（4）：17-19.

Finite Element Analysis and Optimization of a Certain Type of Radar Stabilized Platform Based on ANSYS

XUE Shan1，LI Yanjun1，WANG Yifan2，MENG Xianyu1，ZHAO Yunlai1，XU Long1
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

The radar platform has been designed，which meets the requirements of the functional requirements，and meets the requirements of the quality of the light.Use Creo software to carry out the modeling of radar stabilized platform and the finite element model is established in the ANSYS software.In the establishment of the finite element model，the method of dividing the grid is used.By changing the method of grid division，changing the grid's Association Center，changing the mesh's correlation degree，changing the mesh refinement degree，the grid quality is compared，and finally the best finite element model is obtained.Skewness degree from 0.6 to 0.27.Further change the platform's material，and carry out the modal analysis，get the first six order natural frequency.The analysis results show that the improved design makes the stiffness basically unchanged，but the quality is reduced by 34.5Kg，and the quality is reduced by 17.7%.The structure design method of the stable platform，the method of improving the quality of the grid and the method of changing the material provide a reference for the similar design and analysis.

radar stabilized platform；grid division；modal analysis；finite element analysis

TH122

A

1672-9870（2015）06-0055-04

2015-11-04

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20126017）

薛珊（1978-），女，博士，副教授，E-mail：xueshan@cust.edu.cn

王一凡（1958-），男，研究員，E-mail：bexuexue@163.com