基于ANSYS軟件的雷達典型結構建模分析

李 為 王雪瑤

中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽合肥 230008

基于ANSYS軟件的雷達典型結構建模分析

李 為 王雪瑤

中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽合肥 230008

現代仿真技術的應用極大地提高了工業產品的設計能力, 其中以有限元算法應用最為廣泛。文中以某型雷達的傳動結構為研究目標, 運用有限元軟件對其進行剛強度分析。通過建立剛性區域, 耦合主節點自由度來模擬運動關系的約束關系, 并考慮結構對稱性以簡化計算模型, 得到整個傳動結構部分的應力位移分布,為結構改進提供理論依據。

有限元；剛強度; 耦合; ANSYS

一、引言

為適應現代戰爭的需要, 提高自身生存能力, 縮短快速響應時間, 雷達系統正向車載高機動, 自動化的方向發展。相對于大型地面陣地雷達, 車載雷達系統由于公路運輸、車平臺設計等因素限制, 對結構的緊湊性、輕量化提出了更高的要求。這就需要設計人員在新產品設計階段就要依據結構受力特性考慮系統減重問題。

以往, 系統的校核工作主要通過試驗來完成。完成初步設計之后做出樣機, 通過電測、光彈等試驗手段, 得到結構件的應力分布規律及關鍵受力部位的應力數值, 并以此為依據完善設計。重要件還需要修改樣機, 進行重復試驗, 直至得到滿意結果, 試驗成本很高, 周期較長。隨著計算機的發展, 基于有限元的虛擬仿真計算在各個領域的工程實踐中得到了廣泛的應用。相對于試驗驗證, 仿真技術具有周期短, 成本低,效率高等特點, 可以獨立或配合試驗完成結構校核, 大大縮短了試驗時間, 提高了工作效率。

文章以 ANSYS為計算工具, 運用 APDL 語言實現了參數化的模型處理及計算。APDL 是 ANSYS 的參數化設計語言, 是一種類似于 FORTRAN 的解釋型語言。利用 APDL 語言可以建立參數化模型并實現自動求解控制, 可以使用宏程序、選擇結構、循環結構, 并對矢量、矩陣進行代數運算。同時, 通過 APDL 語言能夠實現 ANSYS中一些高級功能, 例如優化及自適應網格技術。利用APDL 語言編寫的參數化建模、復雜載荷的參數化加載、求解控制及數據處理程序, 易于修改和保存, 同時可以在無人工干預的情況下連續求解若干模型及工況, 特別適用于模型設計校核需要多次修改重復分析的問題。

二、基本理論與步驟

(一)將實體離散化, 取結點位移為基本未知量。

(二)選擇位移函數, 用單元結點位移唯一地表示單元內部任一點位移。

(三)通過位移函數、廣義虎克定律, 用結點位移唯一地表示單元內任一點的應力。

(四)利用能量原理, 找到與單元內部應力狀態等效的結點力;再利用單元應力與結點位移的關系, 建立等效結點力與結點位移的關系。

(五)將單元所承受的載荷, 按靜力等效原則移置到結點上。

(六)建立結點位移的靜力平衡方程組, 求解得到結點位移, 然后求出每個單元的應力。

三、計算

（一）幾何模型

該天線座有兩種受力狀態∶ 工作狀態和運輸狀態,通過曲柄連桿的展開或折疊來實現兩種狀態的轉換。本文在 PRO /E 中建成天線座傳動系統的實體模型, 導入 ANSYS C lassic軟件。為減小模型規模, 沒有建立天線部分的實體模型, 通過在質心處做質量單元來模擬其重量載荷作用。

（二）有限元模型

天線座所受外載為天線重心處的天線重力和風載荷, 為減小計算規模, 沒有對天線進行建模, 僅建立遠程加載點來方便加載。同時簡化外掛在天線座上的電機驅動器、電機減速機、匯流環、伺服主控箱及俯仰機構, 以剛化區域附質量單元模擬重量。轉臺與底座間通過帶齒大軸承連接, 利用安裝在底座上的方位電機驅動轉臺轉動。為模擬實際約束狀態, 軸承處在柱坐標系中釋放轉動自由度來模擬軸承轉動, 大軸承與電機末級小齒輪固定,并將末級小齒輪固定在底座上,與實際約束狀態相符。底座固定在車體上, 因此對根部螺栓孔施加固定約束。考慮到轉臺結構的對稱性, 為減小單元數量, 轉臺與底座分開計算, 并將轉臺按對稱模型取二分之一進行計算, 對稱面上所有節點處施加對稱約束。

（三）結果分析

轉臺最大應力 21M Pa, 位于轉臺安裝電機驅動器處, 此處為剛性區域作用處; 其余部位應力水平均低于 21 MPa; 轉臺最大位移 0. 4mm, 發生在轉臺安裝電機驅動器處附近。底座最大應力46 MPa, 位于底座與車架螺栓孔處,不予考慮; 其余部位應力水平不高于20MPa。最大位移發生在底座與轉動大軸承接觸面處, 為0. 035mm。運輸狀態轉臺最大應力 21 M Pa, 位于轉臺安裝電機驅動器處, 此處為剛性區域作用處; 其余部位應力水平均低于 17 M Pa; 轉臺最大位移0. 5mm,發生在轉臺安裝電機驅動器處附近。底座最大應力 46 MPa, 位于底座與車架螺栓孔處,不予考慮; 其余部位應力水平不高于20MPa。最大位移發生在底座與轉動大軸承接觸面處, 為0. 035mm。經計算, 陣面升起 20度時為曲柄連桿最大受力狀態。此時曲柄最大應力為54MPa, 位于曲柄與俯仰電機軸的接觸面邊緣, 為擠壓所至。但此處靠近旋轉約束剛性區域, 限制了該處的受力變形, 所以應力水平偏高。除此處外曲柄其他部位最大應力 30 MPa, 連桿最大應力6MPa。

四、結束語

從應力云圖來看, 轉臺、底座及曲柄的應力水平不高, 完全滿足強度要求, 有一定的減重空間。但底座軸承安裝面處有0. 035mm的變形量, 此處由于安裝軸承的需要, 有一定的剛度要求。因此, 減重的同時應注意保證結構的變形要求。根據大量工程應用經驗, 有限元法在計算結構的靜強度和變形位移時, 能得到精度很高的計算結果。因此, 從以上計算過程可以看出, 運用ANSYS有限元軟件進行強度計算非常高效。結構的優化修改與計算可以同時進行, 大大縮短了產品的研制周期, 提高了產品競爭力。

[1]李云貴,趙國藩．結構可靠度的四階矩分析法[J]．大連理工大學學報,1992年04期．

李為（1968．12-）山東人，技師，主要從事結構可靠性技術研究。

王雪瑤（1987．9-）安徽碭山人，工程師，主要從事機械系統設計及其動力學分析。