高精度高架車載標校系統結構設計與力學分析

馬保寧,楊 斌,沈文軍

(中國電子科技集團公司第十四研究所,南京 210039)

高精度高架車載標校系統結構設計與力學分析

馬保寧,楊 斌,沈文軍

(中國電子科技集團公司第十四研究所,南京 210039)

根據某艦載雷達的標校特點,完成了某高精度高架車載標校系統的結構設計。介紹了艦載雷達標校的環境特點。根據研制指標的要求設計了車載式移動標校系統。在此基礎上,采用有限元法對系統的承載平臺和升降塔等關鍵部件進行了力學仿真分析。仿真結果表明,系統的結構設計合理,滿足艦載雷達的標校需求。

艦載雷達;標校;高架;車載

0 引 言

為保持和提高雷達的測量精度,通常的合適方法就是在使用過程中定期或不定期地進行標校。雷達的標校一般有動態和靜態兩種方法。靜態標校方法一般利用固定式標校塔。艦載雷達受安裝位置和艦艇停靠碼頭的條件限制,一般需要可移動式的高架高精度標校系統,方能滿足雷達靜態標校的需求。

本文介紹了一種高架高精度的移動式標校系統的結構總體設計,并對其中的承載平臺和升降塔的結構設計作了詳細介紹。

1 標校系統介紹

系統共一個運輸(工作)單元,設備艙、升降塔、油機、伺服控制箱、供油系統等上裝設備全部安裝在承載平臺上,通過承載平臺和載車連接。設備艙內主要放置后端電子設備,油機用于給系統供電。上裝的主要設備為一套可升高40 m的升降塔。升降塔的頂端安裝有標校喇叭和GPS天線等。為滿足某艦載雷達的標校需求,升降塔升高40 m后,在4級風情況下頂部的位移量要求小于80 mm。作為上裝設備的載體,承載平臺必須具備一定的剛強度,保證系統工作時在額定的風載荷下的安全性和穩定性。圖1為系統運輸狀態。

圖1 系統運輸狀態

2 系統結構設計

2.1 結構設計

承載平臺上除了安裝上裝設備外還安裝有調平腿和抗傾覆腿,具有良好的剛強度和穩定性。平臺的外形尺寸為寬2 m、長9.5 m,質量約為5 t。主梁和邊梁均采用封閉式箱體結構,橫梁為C型梁。調平腿前后跨距為7.8 m,左右跨距為2 m;抗傾覆腿前后跨距為7 m,左右跨距為8.4 m。圖2為標校系統承載平臺。

圖2 標校系統承載平臺

2.2 升降塔結構設計

升降塔主要功能是作為安裝標校天線的平臺,使標校天線上升到一定高度,在滿足穩定性要求的前提下完成標校工作,并且在車輛移動運輸前升降塔能夠進行收回折疊和倒伏動作,滿足運輸要求。

升降塔塔架共有7層口徑不同的方型框架,從小到大,由內到外層層空套。塔架的升降采用復合驅動進行同步升降。驅動機構由升降油缸和鋼絲繩滑輪組共同組成。升降塔七節塔架均采用桁架式結構,其迎風面積小,由風載荷引起的變形也小,所需管材的尺寸較小,質量相對較輕。升降塔最大截面尺寸為1500 mm×1500 mm,其收回狀態總長度不大于6.8 m。圖3為標校系統升降塔。

圖3 標校系統升降塔

3 系統力學分析

3.1 載荷分析

系統在架高工作時主要受到風載荷的作用。塔體部分受到的風載荷可按下式計算[1]:

式中,WK為風載荷標準值(kN/m2),βZ為高度Z處的風振系數，μS為風載荷體型系數，μZ為風壓高度變化系數，W0為基本風壓(kN/m2)。

塔體以外的其他設備的風載荷計算:

Fx=9.8·Cx·A·V2/16(N)

式中,Cx為風阻力系數,A為物體特征面積 (m2),V為風速 (m/s)

3.2 模型簡化

平臺部分將梁單元和實體單元進行切割,將平臺各焊接單元進行合并生成一個整體,并簡化液壓調平腿和抗傾覆支撐腿的建模。考慮到載車車梁對標校車平臺受力影響較大,將載車車梁經過簡化后納入模型中。簡化后標校車平臺模型由平臺骨架、載車車梁、調平腿和抗傾覆腿組成。

將平臺骨架與調平腿及抗傾覆支撐腿直接進行綁定(Bonded)。平臺骨架和載車車梁通過接觸面進行綁定。根據模型結構特點,對模型進行網格劃分,見圖4。

圖4 平臺網格模型

升降塔建模時,先分別建立每節塔結構的有限元模型,然后再進行裝配。立柱、底座和圍框等加強結構采用殼單元劃分,橫梁和斜梁等加強管結構采用梁單元,殼單元與梁單元之間連接部位采用共節點進行連接。圖5為單節升降塔模型。

圖5 單節升降塔模型

在各部分模型完成的基礎上,將承載平臺以及各段塔結構裝配成整個升降塔系統的有限元模型。根據各部分零件的厚度不同,建立相關的零部件(component)。圖6為系統網格模型。

圖6 系統網格模型

標校車單側受風載,其受力側抗傾覆支撐腿可認為不與地面接觸[2-4]。因此,只固定4個液壓調平腿和一側的2個抗傾覆支撐腿。

3.3 工況介紹

該系統所受的載荷主要包括上裝電子設備質量、載車質量、平臺自重和風載荷,約束點為4個調平腿和4個抗傾覆腿,共計算2種工況:

工況1 系統工作狀態,升降塔升起,4級風(7.9 m/s)載荷,4個調平腿與2個抗傾覆腿支撐,保精度工作。

工況2 系統工作狀態,升降塔升起,8級風(20.8 m/s)載荷,4個調平腿與2個抗傾覆腿支撐,保證撤收。

3.4 力學分析

根據仿真分析結果,在工況1情況下,第6和第7段塔結構的應力較大,應力值最大的節點位移第4段塔結構底座,應力值為19.2 MPa,其余位置的應力值較小。應力最大值遠小于材料屈服極限,結構的強度滿足要求。液壓塔頂部的位移值最大,為3.88 mm。圖7為風速7.9 m/s時系統應力和位移云圖。

在工況2時,升降塔整體應力分布云圖和位移如圖8所示。與工況1類似,第6和第7級塔結構的內應力普遍較大。最大應力出現在第6級塔結構的加強梁單元上,應力值約為100 MPa,應力值小于塔結構材料的屈服應力,塔結構的強度滿足要求。

通過仿真計算可以看出,系統在工作條件規定的風載荷下應力值較小,升降塔頂部的位移值也滿足要求。

圖7 風速7.9 m/s時系統應力和位移云圖

圖8 風速20 m/s時系統應力和位移云圖

4 結束語

根據艦載雷達的標校需求,結合車載設備的結構特點,本文設計了高精度高架車載標校系統。研制過程中對系統的關鍵部件進行了力學分析,結果表明系統的各項指標滿足設計要求,同時該結構形式的標校系統也可供類似產品的設計及應用提供參考。

[1] 王肇民,馬人樂.塔式結構[M]．北京:科學出版社,2004.

[2] 賀鵬.某無源高架雷達結構總體設計要點分析[J].電子機械工程,2007(6):37-39.

[3] 程春紅.某高架機動性雷達力學試驗[J].電子機械工程,2006(4):30-33.

[4] 趙希芳.車載雷達力學分析中支腿邊界條件的研究[J].現代雷達,2003(12):17-19.

Structural design and mechanical analysis of an elevatedvehicle-borne calibration system with high precision

MA Bao-ning, YANG Bin, SHEN Wen-jun

(No. 14 Research Institute of CETC, Nanjing 210039)

According to the calibration features of a shipborne radar, the structural design of a high-precision elevated vehicle-borne calibration system is completed. The environment characteristics of the calibration of the shipbome radar are introduced. According to the specification requirements of the development, the vehicle-borne mobile calibration system is designed, on the basis of which the critical components of the system such as the hosting platform and the lifting tower are analyzed with the finite element method via the mechanical simulation. The simulation results indicate that the structural design of the system is reasonable, which can satisfy the demands of the calibration of the shipbome radar.

shipborne radar; calibration; elevated; vehicle-borne

2016-11-28;

2016-12-02

馬保寧(1962-),男,工程師,研究方向:雷達結構總體;楊斌(1989-),碩士,助理工程師,研究方向:雷達結構總體;沈文軍(1970-),研究員高級工程師,碩士,研究方向:雷達結構總體。

TN959.72

A

1009-0401(2017)01-0052-03