某雷達薄壁升降塔抗屈曲優化設計

牟淑志， 杜春江

（1.金陵科技學院 機電學院，南京 211169；2.南京電子技術研究所，南京 210039）

0 引言

高架雷達利用舉升裝置將雷達天線架高，可以有效克服較強的地雜波，提升回波信號和增大作用距離，是解決地面情報雷達環境適應性的有效方法。薄壁式升降桿作為雷達舉升裝置的一種主要形式，與其它結構型式的舉升裝置相比，具有結構緊湊、動作時間少、架設高度高、易于實現大行程的優點。但由于受限于空間布局、舉升高度、傳動機構布置及重量等，薄壁升降桿的抗屈曲能力難以有效提升。

本文基于有限元分析軟件ANSYS對某雷達升降桿系統的屈曲進行了分析，針對底部塔架抗屈曲能力弱的問題，基于多學科優化軟件Isight和有限元分析工具ANSYS建立了優化模型，采用多島遺傳算法對其進行了優化，并對優化前后塔架結構的抗屈曲能力和剛強度進行了對比分析。

1 升降桿結構抗屈曲能力分析

某升降桿塔架如圖1所示，采用6層矩形箱型框架結構，從小到大、從內到外層層嵌套。上面3層框架四邊主立面采用壁厚為3 mm的高強度鋼板拼焊而成，下面3節框架主立面采用壁厚為4 mm的高強度鋼板拼焊而成，框架側面上貼有高強度不銹鋼板一側為導向導軌，利用油缸及其內置的鋼絲滑輪機構實現升降桿的伸出與縮回動作。

基于有限元分析軟件ANSYS［1］，采用板殼單元建立了升降桿塔架的有限元模型，并對典型工況下升降桿結構的抗屈曲能力進行了分析。從仿真分析結果來看，第六號塔架將首先發生屈曲，其屈曲因子為1.02（屈曲因子等于1表示處于臨界狀態，大于1為安全，小于1為失穩），屈曲模態如圖2所示。

2 升降桿結構抗屈曲優化設計

圖1 某雷達升降塔結構

圖2 升降塔結構屈曲仿真分析結果

從以上分析中可以看出，第六號塔架位于升降塔系統的最底端，承受載荷最大，從靜力學分析結果來看，其總體應力水平不高，強度不存在問題，但抗屈曲能力太差。為提高系統的抗屈曲能力，增強系統安全性，選取升降塔系統的最薄弱環節——第六號塔架作為研究對象，在總體尺寸不發生變化的前提下，通過優化確定其截面的最佳布置形式，提高其抗屈曲能力，從而提高系統整體穩定性。

第六節塔架結構加強筋布置形式如圖3所示，從前面薄壁柱屈曲影響因素的分析中可知，減小薄板的寬度可以有效改善其局部屈曲問題，因而原始方案在薄板上焊接加強筋的方法是可行的，且焊接縱向加強筋在改善了局部屈曲的同時也增強了其整體的抗屈曲能力。為了在保持原塔架基本結構不變的前提下有效提高抗屈曲能力，分別選取圖3所示中的T1、T2、T3和T4作為優化變量，以結構重量作為約束條件和屈曲因子作為優化目標，通過優化加強筋的位置及尺寸來提高結構的抗屈曲能力。

圖3 1/4橫截面加強筋布置形式及優化變量

為提高優化求解效率，只提取第六節塔架結構作為優化模型，為保證求解結果的有效性，其約束和載荷條件從整體靜力學分析模型中提取。提取的第六節塔架結構的有限元模型如圖4所示，刪除了原整體模型中第一到第五節塔架，在第六節塔架的頂端施加截取自整體模型的集中載荷。為了更好地在優化域中尋找全局最優解，選取了多島遺傳算法［2］來進行優化計算。

圖4 第六節塔架的有限元模型

優化后結構中加強筋的尺寸分別為T1=79、T2=186、T3=84、T4=2，結構的屈曲因子為 1.3。

圖5 優化前第六節塔架結構的剛強度

圖6 優化后第六節塔架的剛強度

分別對優化前后的第六節塔架結構進行了剛強度分析，分別如圖5和圖6所示，除去模型簡化導致的約束加載位置出現應力集中外，結構整體應力不大于250 MPa，遠小于材料的屈服極限700 MPa，優化前后結構的剛強度基本保持一致，結構重量增加了6.5%，但屈曲因子提高了26%，塔架結構的抗屈曲能力得到了有效提高。

3 結論

本文對某雷達薄壁升降桿結構進行了結構剛強度和抗屈曲能力分析，針對底端桿件抗屈曲能力較弱的問題，在總體布局保持不變的前提下，采用優化設計方法對桿件的橫截面形式進行了優化，確定了其截面的最佳布置形式，有效提高了其抗屈曲能力，增強了結構設計的安全性。相關結論及設計方法可為類似產品設計提供參考。

［1］ 劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎與應用教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［2］ 牟淑志，杜春江，牟福元，等.基于多島遺傳算法的連續體結構拓撲優化［J］.機械科學與技術，2009（10）：1316-1320.