基于輕量化的艦載雷達穩定平臺的設計與特性分析研究

薛 珊，孟憲宇，趙運來，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

基于輕量化的艦載雷達穩定平臺的設計與特性分析研究

薛 珊，孟憲宇，趙運來，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

為了使艦載雷達隔絕船搖，進行了雷達穩定平臺的初始設計。為了能夠輕量化，提高剛度，提高抗沖擊性能，更好的滿足國軍標，提出了一種改進設計。分別對初始設計和改進設計的平臺運用Creo軟件進行了數字化建模。將所建模型導入ANSYS軟件中，建立有限元模型，對兩種設計進行了有限元分析，包括靜態特性分析和動態特性分析。其中動態特性分析包括模態分析、諧響應分析、譜分析。分析結果對比表明改進設計質量減輕了21%，一階固有頻率提高了48%，大大提高了剛度，在美軍標的海浪沖擊下，所設計的改進平臺變形量小于1mm，剛度、強度都符合要求，抗沖擊性也符合要求，為雷達穩定平臺的設計及優化提供了參考。

雷達穩定平臺；輕量化；動態特性分析；譜分析

0　引言

艦載雷達越來越多的用于提高軍艦的生存能力、偵查能力和反偵察能力。艦載雷達在工作過程中經常會受到海浪沖擊等干擾因素產生的振動與沖擊作用，在如此嚴峻的環境下工作，艦載雷達的安全性和可靠性逐漸引起了人們的關注［1，2］。

雷達穩定平臺是支撐雷達的關鍵部位，它可以使雷達隔絕船搖，通過它實現了雷達的轉向、快速定位等功能，也是承受艦船振動和沖擊的主要部位。雷達穩定平臺在靜態、動態沖擊下的剛度和強度的好壞直接影響著雷達系統的運轉和定位的精度［3］。因此如何使雷達穩定平臺輕量化，提高其剛度、強度，提高其抗沖擊性能成為研究熱點問題。

本文針對某型艦載雷達進行了雷達穩定平臺設計。為了能夠輕量化，提高剛度，提高強度，提出了改進設計。運用Creo軟件進行了兩種設計的數字化建模，比較其質量。對兩種設計進行有限元建模，進行靜力學分析、模態分析、諧響應分析、譜分析。并對分析結果進行對比，來確定改進設計靜、動態特性是否提高。

1　艦載雷達穩定平臺的設計

1.1艦載雷達穩定平臺的設計要求

艦載雷達穩定平臺是艦載雷達系統的重要組成部分，對其設計的主要要求：

1）實現功能，能夠使雷達完成繞方位軸和俯仰軸進行轉動；2）靜態下能夠滿足國軍標的剛度和強度要求；3）動態下滿足國軍標的剛度和強度要求。

綜合國軍標要求，即綜合G J B 4 4 0.2-8 8、GJB1060.1-91、GJB150.16A-2009、GJB1446.63-92、GJB150.18A-2009等國軍標要求，艦載雷達穩定平臺安裝于甲板上，國軍標對所設計的雷達穩定平臺的具體要求：

1）在1～60Hz內不發生共振，變形量不超過1mm；2）穩定性試驗中變形量小于0.15mm，滿足強度校核；3）在國軍標沖擊譜沖擊下，變形量不超過1mm，最好能夠在美軍標沖擊譜沖擊下，變形量不超過1mm。

1.2艦載雷達穩定平臺的初始設計和改進設計

1.2.1初始設計

初始設計的雷達穩定平臺主要包括方位部分、俯仰部分、負載平臺、底座等。方位部分主要包括方位軸及方位軸外殼、方位軸內轉子、力矩定子及轉子、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、俯仰軸內轉子、力矩定子及轉子、軸承、螺栓、陀螺儀等。

初始設計的雷達穩定平臺的工作過程：由方位軸電機帶動方位部分進行轉動，同時帶動與方位軸連接的整個俯仰部分繞方位軸轉動。俯仰軸電機帶動整個俯仰部分繞著俯仰軸轉動，從而使負載平臺即可以繞著方位軸轉動，又可以繞著俯仰軸轉動。最終實現了雷達穩定平臺的功能要求：負載平臺既可以即繞著方位軸轉動，也可以繞著俯仰軸轉動。

運用Creo2.0軟件對初始設計的平臺進行了數字化建模，其外形和結構示意圖如圖1所示。

圖1　初始設計的平臺的外形及結構示意圖

1.2.2改進設計

為了能夠輕量化，提高剛度，提高抗沖擊性能，更好的滿足國軍標，提出了一種改進設計。改進設計對外形和選取的材料進行了改變。對于傳動方式和工作原理沒有進行改變。將方位軸外殼和俯仰軸外殼設計成八邊形，并將其材料更換為硬鋁，同時將內部支撐圈等結構換為硬鋁，以減輕穩定平臺重量。改進設計的外形及結構示意圖如圖2所示。

由Creo模型可測得初始設計的平臺總重量為196kg，改進設計的平臺的總重量為155kg。改進設計的平臺比初始設計的平臺質量減輕了41kg，減輕了21%。

圖2　改進設計的平臺的結構示意圖

2　艦載雷達穩定平臺有限元模型的建立

2.1簡化模型

本文所設計的雷達穩定平臺尺寸較大，零件較多，且連接關系較為復雜，因此為了減少計算時間，在不影響計算精度情況下必須對模型進行簡化。在Creo中把整個模型的倒角、圓角以及直徑小于2mm的孔去掉，將編碼器等不受力的零件簡化為一體，得到簡化模型，如圖1（b）和圖2（b）所示。

2.2材料屬性

初始設計的平臺的有限元模型中將平臺中的編碼器、陀螺儀等不承受力的零件設置為硬鋁，將俯仰軸殼子、方位軸殼子、內部支撐圈設置為硬鋁，密度為2793.5kg/m3，楊氏模量為0.7GPa，泊松比為0.33；其余零件均為鋼，密度為7850kg/m3，楊氏模量為2GPa，泊松比為0.3。

2.3網格劃分

進行分析前最重要的步驟之一就是劃分網格，網格劃分的好壞將直接影響計算結果的精度［4］。理論上網格越精細結果越精確，但當網格小到一定程度會出現應力奇異現象。本文采用的是六面體主導的網格，并對關鍵部件進行了細化，最終網格的畸變度為0.41。

3　穩定平臺的有限元分析

3.1靜力學分析

靜力學分析是工程中最常用、應用最廣泛的一種分析方法。在對穩定平臺進行動態特性分析前應先進行靜載荷分析［5］。運用ANSYS軟件在負載平臺上加100N的力模仿雷達重量，分別對初始設計平臺的負載平臺的各個姿態進行分析，將所有結果數值導入MATLAB中繪制圖像，得到了隨俯仰角度變化的最大應力和最大變形曲線，結果如圖3和圖4所示。

圖3　初始設計平臺的最大應力/俯仰角度曲線

圖4　初始設計平臺的最大變形量/俯仰角度曲線

從圖中可以看出初始設計平臺的負載平臺豎直時，即俯仰角度為0°時，平臺受力最大，變形量也最大。改進設計平臺的受力變形的趨勢和初始設計類似，這里不再出圖。俯仰角度為0°時，兩種設計的靜力學分析結果如圖5、圖6所示。

圖5　俯仰角度0°時初始設計平臺的應力云圖和變形圖

圖6　俯仰角度0°時改進設計平臺的應力云圖和變形圖

由圖中可得，兩種設計的最大應力為3.60MPa和3.68MPa，遠小于材料的屈服極限340MPa，最大變形量為0.0137mm和0.0147mm，小于軍標要求的0.15mm，可見其剛度和強度是滿足要求的。

3.2模態分析

模態分析是動態特征分析中最基礎和重要的部分，是研究結構動態特性的一種現代方法，是各種產品的結構設計和性能評估的一個強有力的工具。通過模態分析可以得出系統的固有頻率、振型、相對變形量等特性，從而可以進行剛度分析和避免系統共振［6］。

由彈性力學的變分原理，經分析可得穩定平臺的運動平衡方程為：

式中［M］為質量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛P（t）｝為外力函數矢量；｛N｝為與和｛u｝相關的非線性外力項矢量；［Q］為邊界約束反力矢量；｛u｝為位移向量；為速度向量；為加速度向量。

為了求解平臺自由振動的固有頻率和振型，即穩定平臺的固有頻率和振型時，令外力和阻尼均為0。令式（1）右邊為0，得：

其對應的特征方程為：

式中ω為固有頻率。由于系統自由振動的振幅不能為零，則有：

由于負載雷達在俯仰角度不同時系統的固有頻率不相同，因此分別對初始設計的平臺在各個不同俯仰角度時，即不同姿態時進行模態分析。由于低階振型對結構的動態特性有著重要影響，通常低階振型比高階振型影響要大得多［7］，因此特別把每種姿態的一階固有頻率提取出來繪成圖像，如圖7所示。

圖7　一階模態值/俯仰角度曲線

從圖中可以看出俯仰角度為10°時固有頻率最低。按照此趨勢，分別分析了兩種設計的平臺，當俯仰角為10°時的模態分析。兩種設計的平臺一階模態分析結果如圖8和圖9所示，它們的各階固有頻率對比表如表1所示。

圖8　初始設計的平臺的一階模態

圖9　改進設計的平臺的一階模態

表1　初始設計和改進設計的平臺各階固有頻率對比表

如表1所示，初始設計和改進設計的平臺的一階固有頻率分別為80.29Hz和118.47Hz，均符合國軍標要求的在60Hz以內不得發生共振的要求。改進設計的平臺的一階固有頻率比初始設計的平臺的一階固有頻率提高了38.18Hz，提高了48%，剛度大大提高了，改進效果顯著。

3.3諧響應分析

諧響應分析是時域分析，用于確定系統結構在承受隨時間按正弦規律變化載荷時的穩態響應［8］。通過諧響應分析可以得到幅頻特性曲線，曲線上的峰值點可以確定系統的共振點；還可以得到系統的持續動態性能。

本文運用ANSYS軟件分別對初始設計和改進設計的平臺進行了諧響應分析。分析結果如圖10和圖11所示。

圖10　初始設計的平臺的幅頻特性曲線

圖11　改進設計的平臺的幅頻特性曲線

從圖10和圖11中可以看出，初始設計的平臺發生第一次共振在80Hz處，變形量為2.5×10-7mm。改進設計的平臺發生第一次共振在118Hz處，變形量為6.8×10-5mm。

諧響應分析結果和模態分析結果保持一致，互相印證；并且可以看出平臺在0～60Hz內沒有發生共振，且變形遠小于1mm，滿足設計要求。

3.4譜分析

對艦船設備進行抗沖擊分析是艦船設備設計不可缺少的部分。常用的方法有靜態G法、時域動態分析法、基于沖擊譜的響應分析法［9］。美國海軍進行了一系列的實驗得到了基于沖擊譜的響應分析法的DDAM譜分析，現已經被廣泛用于艦船設備的抗沖擊分析。我國國軍標GJB1060.1-91規定的動力學分析方法就是直接來自美國相關標準的一維DDAM，即美軍標比國軍標要求更高。

本文采用的是美軍標下的DDAM譜分析的方法對所設計的兩種穩定平臺進行抗沖擊分析。分析結果如圖12和圖13所示。

圖12　初始設計的平臺的總變形云圖

從圖12和圖13可以看出在DDAM譜分析下初始設計和改進設計的穩定平臺的最大變形量分別為0.32mm和 0.55mm，均小于1mm，符合軍標要求，說明所設計的雷達穩定平臺的抗沖擊性能很好。

圖13　改進設計的平臺的總變形云圖

4　結論

1）針對艦載雷達進行了雷達穩定平臺初始設計和改進設計。運用Creo軟件分別進行了兩種設計的數字化建模，通過比較，改進設計的平臺比初始設計的平臺質量減輕了21%，實現了輕量化。

2）分別對兩種設計的平臺進行了靜態特性分析，結果表明兩種設計均符合剛度和強度要求。

3）分別對兩種設計的平臺進行了動態特性分析，包括模態分析、諧響應分析和譜分析。模態分析結果和諧響應分析結果互相印證，表明改進設計的平臺一階固有頻率提高了48%，剛度大大提高。譜分析結果表明改進設計的平臺抗沖擊性能良好。

改進設計的平臺符合靜態、動態下的剛度和強度要求，以及抗沖擊性要求；同時實現了輕量化，大大提高了剛度；為同類平臺的設計和優化提供了參考。

［1］ 孫穎.某高機動雷達穩定平臺系統結構設計及優化［D］.南京理工大學，2010.4.

［2］ 沈春元，郁圣杰.艦載雷達穩定平臺系統受計算和有限元分析［J］.雷達與對抗，2011（2）：67-71.

［3］ Zai Behzad Ahmed，Sami Saad，Khan M Amir，Ahmad Furqan，and Park Myung Kyun.Prediction of Vibration Characteristics in Beam Structure Using Sub-Scale Modeling with Experimental Validation［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering.2015（28）：928-934.

［4］ 洪長滿，段勇軍.機載雷達天線結構的剛強度性能評估［J］.現代雷達，2011（6）：72-75.

［5］ 沈嶸楓.基于輕量化的運材跑車齒輪減速機構設計［J］.華中科技大學學報，2012（40）：98-101.

［6］ 于天彪，王學智，關鵬，王宛山.超高速磨削機床主軸系統模態分析［J］.機械工程學報，2012（17）：183-188.

［7］ 王民，張新云，昝濤，等.基于ANSYS的國產數控機床高速電主軸的仿真分析［J］.北京工業大學學報，2012（7）：988-991.

［8］ 劉輝，項昌樂，孫恬恬.車輛動力傳動系統彎扭耦合振動模型的建立及復模態分析［J］.機械工程學報，2010（24）：67-74.

［9］ 吳澤剛.盤式振動干燥機的動態特性研究［D］.東北大學，2010，6.

5）項目管理數據報表

將CATIA導出的項目總信息報表和ACCESS導出的項目文件報表，以零件圖號為關鍵字，通過Excel運算將兩個信息表進行合并，形成項目管理的數據報表。報表將設計端和工藝端的信息緊密聯系在一起，便數據的比較分析；通過該數據報表，可以快速得出無損清單、表處清單，核查交接文件提交情況，避免了很多無效的人力勞動。項目管理報表如圖5所示。

圖5　項目管理報表

3　結束語

本項目通過聯合CATIA、ACCESS、Excel開發多個功能模塊，使得從設計端數模信息提取到制造端工藝文件管理整個過程都自動化進行，大大提高工作效率。最后，將整個項目的信息匯總形成項目管理報表，使項目管理過程中的數據都顯性的展示出來，解決以往由于數據管理混亂造成的諸多項目管理問題，降低了項目管理的難度，提高了項目管理的效率；本文關于文件管理的思路具有獨創性與普適性，可以推廣到類似的文件管理項目中，具有很高的推廣應用價值。

參考文獻：

［1］ 劉順濤.基于CATIA二次開發的數模信息提取及組織技術的研究［J］.航空制造技術，2014，19.

［2］ 胡挺，吳立軍.CATIA二次開發技術基礎［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［3］ 葉愷.Access2010數據庫案例教程［M］.北京：化學工業出版社，2012.

［4］ 王欣.Excel實用教程［M］.北京：中國傳媒大學出版社，2012.

Design and characteristics analysis of shipborne radar stabilized platform based on lightweight

XUE Shan， MENG Xian-yu， ZHAO Yun-lai， JIA Bing， LYU Qiong-ying

TH12

A

1009-0134（2016）10-0133-05

2016-08-12

吉林省科技發展計劃項目（20126017）；吉林省科技廳重點科技攻關項目（20160204015GX）

薛珊（1978 -），女，副教授，博士，研究方向為結構設計與分析。