某型火控雷達(dá)俯仰殼體動(dòng)力學(xué)仿真*

周晨龍，劉 軒

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安 710068）

引 言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)噴氣式飛機(jī)、制導(dǎo)導(dǎo)彈及彈道導(dǎo)彈等高速目標(biāo)的快速發(fā)現(xiàn)和反制，縮短雷達(dá)反應(yīng)時(shí)間的需求在日益增加[1]。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)全向化、高目標(biāo)探測的高數(shù)據(jù)率需求，提高天線轉(zhuǎn)速成為提高數(shù)據(jù)率的一個(gè)重要手段。但是，如果增加天線方位轉(zhuǎn)速，方位上部天線及其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)力矩、不平衡力矩等載荷都會(huì)增加，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也隨之提高。

某型車載火控雷達(dá)為搜跟一體型雷達(dá)，具有高轉(zhuǎn)速自主搜索、高精度自主跟蹤及快速搜轉(zhuǎn)跟等功能。俯仰機(jī)構(gòu)是該型車載火控雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，安裝在雷達(dá)方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，其主要功能是支撐天線及雷達(dá)陣面作戰(zhàn)狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。

該雷達(dá)在實(shí)際使用過程中主要包括轉(zhuǎn)場運(yùn)輸、陣地陣面展開/撤收、搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤等幾種工況。本文通過多體動(dòng)力學(xué)Simcenter 3D、AMESim系統(tǒng)仿真及ANSYS Workbench等仿真軟件，從力學(xué)計(jì)算和仿真等方面對(duì)雷達(dá)在陣地陣面展開/撤收、搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤3種工況展開分析。

1 俯仰殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1）天線質(zhì)量：1 300 kg；

2）俯仰翻轉(zhuǎn)角度范圍：0°～90°；

3）俯仰翻轉(zhuǎn)時(shí)間：≤90 s；

4）工作風(fēng)速：30 m/s（正常工作）；

5）搜索轉(zhuǎn)跟蹤時(shí)間：2 s；

6）搜索狀態(tài)轉(zhuǎn)速：40 r/min；

7）搜索啟動(dòng)時(shí)間：≤4 s。

1.2 俯仰機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)該雷達(dá)的功能及性能指標(biāo)要求，該俯仰機(jī)構(gòu)主要由俯仰殼體、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、角度傳感器及轉(zhuǎn)軸等組成，如圖1所示。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過液壓缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)陣面天線的翻轉(zhuǎn)；角度傳感器用于測量陣面天線的翻轉(zhuǎn)角度，并對(duì)角度信息實(shí)時(shí)采集并傳輸。

圖1 俯仰機(jī)構(gòu)組成

1.3 俯仰殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]

根據(jù)俯仰殼體在俯仰機(jī)構(gòu)中的主要功能、力學(xué)性能及安裝接口等要求，對(duì)俯仰殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。俯仰殼體整體采用鑄造成型，材料為ZL114A，拉伸強(qiáng)度為310 MPa。根據(jù)受力分布對(duì)俯仰殼體內(nèi)部進(jìn)行加筋處理，保證其剛度及強(qiáng)度要求。

圖2 俯仰殼體結(jié)構(gòu)圖

2 力學(xué)計(jì)算與仿真分析

2.1 陣面展開/撤收

陣面展開/撤收過程中俯仰殼體的受力主要由陣面天線重力和作用在陣面天線上的風(fēng)載荷產(chǎn)生，受力點(diǎn)主要為陣面天線和液壓缸在俯仰殼體上的安裝支點(diǎn)及俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝面。

本節(jié)主要通過陣面天線風(fēng)載計(jì)算及動(dòng)力學(xué)仿真兩個(gè)途徑對(duì)風(fēng)載環(huán)境下陣面倒伏過程中俯仰殼體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析。

2.1.1 陣面倒伏過程中風(fēng)載荷的計(jì)算[3]

陣面倒伏過程中的受力可以通過理論公式進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)對(duì)陣面正吹時(shí)陣面繞俯仰軸的力矩為：

式中：A1為風(fēng)對(duì)陣面的正吹面積；q= 0.5ρv2為動(dòng)壓頭（ρ為空氣密度，0.125 kg·s2/m4；v為工作風(fēng)速，30 m/s）；c為陣面正面幾何中心到俯仰軸的距離，取值為1 m；CX為陣面風(fēng)阻力系數(shù)；g為重力加速度。經(jīng)過計(jì)算，負(fù)載風(fēng)力矩Mr= 2 473.12 sinθN·m，θ為陣面倒伏角度，取值0°～90°（陣面水平狀態(tài)為0°）。

2.1.2 陣面倒伏過程中的動(dòng)力學(xué)仿真

為了對(duì)俯仰殼體在受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析判斷，本節(jié)采用Simcenter 3D動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)陣面倒伏過程中俯仰殼體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。仿真時(shí)，對(duì)俯仰殼體進(jìn)行柔性化處理（如圖3所示），劃分單元網(wǎng)格，添加材料特性，設(shè)置俯仰殼體對(duì)外接口及與方位轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面的連接關(guān)系。同時(shí)，為了更加精確地仿真出風(fēng)載作用下不同倒伏角度的俯仰殼體的受力狀態(tài)，仿真時(shí)將上節(jié)計(jì)算的風(fēng)載荷采用Simcenter 3D& AMESim（1D）聯(lián)合仿真軟件添加到陣面天線上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，其工作方式如圖4所示。

圖3 俯仰殼體柔性化模型

圖4 1D & 3D聯(lián)合仿真的工作方式

通過仿真運(yùn)算，可以得出0°～90°翻轉(zhuǎn)過程中俯仰殼體應(yīng)力主要集中在鉸接點(diǎn)A和B（見圖8）處，最大應(yīng)力約為40 MPa，應(yīng)力曲線見圖5（a），仿真時(shí)間和翻轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5（b）所示。

圖5 俯仰殼體應(yīng)力曲線及仿真時(shí)間和翻轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖5可以看出，在0°附近時(shí)，A、B點(diǎn)應(yīng)力均存在波動(dòng)。通過分析可知，0°處于陣面天線翻轉(zhuǎn)的啟動(dòng)階段，由于陣面翻轉(zhuǎn)時(shí)的慣量較大，存在一定的沖擊振動(dòng)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定后，受力將趨于平穩(wěn)。受力趨勢及結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合，且最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤狀態(tài)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，陣面天線搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤狀態(tài)主要分為啟動(dòng)加速階段（啟動(dòng)時(shí)間為4 s）、穩(wěn)定搜索階段（轉(zhuǎn)速為240（°）/s）和搜索轉(zhuǎn)跟蹤階段（轉(zhuǎn)速從240（°）/s減為0，用時(shí)2 s）。同時(shí)，3個(gè)階段的工作過程中，俯仰殼體受到的載荷均為陣面天線及俯仰機(jī)構(gòu)自身載荷及外部載荷，其中，自身載荷主要為重力及動(dòng)不平衡力矩，外部載荷主要為風(fēng)載。

2.2.1 動(dòng)不平衡力矩

俯仰殼體及上方安裝的陣面天線、液壓缸、轉(zhuǎn)軸等零部件繞旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)過程中，因?yàn)樾螤罴皟?nèi)部組織不均勻，在俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的不平衡力矩，即動(dòng)不平衡力矩，如圖6所示。計(jì)算可得，動(dòng)不平衡力矩為：

圖6 俯仰機(jī)構(gòu)動(dòng)不平衡力矩受力簡圖

式中：n為質(zhì)量點(diǎn)數(shù)；Fxi、Fyj為俯仰機(jī)構(gòu)各質(zhì)量點(diǎn)的離心力；Lxi、Lyj為俯仰機(jī)構(gòu)各質(zhì)量點(diǎn)的離心力z軸的力臂。

由于俯仰機(jī)構(gòu)（包括陣面天線、液壓缸及俯仰殼體等零部件）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論上無法對(duì)該不平衡力矩進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，因此將其質(zhì)量及尺寸特性直接帶入動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2.2 風(fēng)載荷的計(jì)算[4]

由于Simcenter 3D軟件在動(dòng)力學(xué)仿真中無法直接添加風(fēng)場，本文首先通過ANSYS Workbench軟件中的fluent模塊對(duì)陣面在0°～360°旋轉(zhuǎn)過程中的風(fēng)力矩進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果通過AMESim（1D）添加到Simcenter 3D軟件中的陣面模型上。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過fluent模塊對(duì)陣面天線及俯仰機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)力矩進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示，其中仿真起始點(diǎn)為陣面受到正面風(fēng)作用時(shí)，此時(shí)俯仰機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°。

圖7 風(fēng)力矩曲線

從圖7可以看出，風(fēng)力矩隨天線的轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，擬合得出該陣面天線轉(zhuǎn)動(dòng)過程中風(fēng)力矩f和轉(zhuǎn)動(dòng)角度x的函數(shù)關(guān)系為：

仿真分析時(shí)，可以將陣面天線轉(zhuǎn)動(dòng)角度分段帶入式（3），得到陣面天線在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中任意位置的風(fēng)力矩大小。

2.2.3 仿真及分析[5]

本節(jié)依然通過Simcenter 3D & AMESim（1D）聯(lián)合仿真的方法對(duì)陣面天線在搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤過程中俯仰殼體的受力進(jìn)行仿真分析。仿真過程中兩個(gè)軟件之間的工作方式與圖4一致，也是通過將Simcenter 3D中陣面轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)角度值通過數(shù)據(jù)交互接口傳遞給AMESim軟件進(jìn)行運(yùn)算，然后再通過數(shù)據(jù)交互接口將計(jì)算出的風(fēng)力矩傳遞給Simcenter 3D軟件，最終添加到陣面上。

仿真時(shí)，Simcenter 3D動(dòng)力學(xué)仿真模型采用2.1節(jié)的仿真模型（如圖3所示），將模型中陣面天線的重心調(diào)整在俯仰機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線上，與實(shí)際產(chǎn)品的工作狀態(tài)一致，同時(shí)調(diào)整與AMESim的數(shù)據(jù)交互接口；AMESim中的模型主要包括角度判斷、分段計(jì)算及數(shù)據(jù)交互3個(gè)部分。

通過仿真計(jì)算得到陣面轉(zhuǎn)動(dòng)過程中俯仰殼體應(yīng)力云圖（圖8）和俯仰殼體的應(yīng)力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間的關(guān)系曲線（圖9）。

由圖8、圖9可見，俯仰殼體應(yīng)力主要集中在俯仰殼體與方位轉(zhuǎn)臺(tái)的安裝面附近C點(diǎn)處，且在0～4 s的加速階段和25～27 s的減速階段最大，最大應(yīng)力約為20 MPa；鉸接點(diǎn)A和B處的應(yīng)力在4～25 s搜索階段最大，其中A點(diǎn)的最大應(yīng)力約為6 MPa，B點(diǎn)的最大應(yīng)力約為12 MPa。

圖8 俯仰殼體應(yīng)力云圖

圖9 俯仰殼體的應(yīng)力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間的關(guān)系曲線

通過分析可知，搜索及搜索轉(zhuǎn)跟蹤過程中，俯仰殼體上的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足相關(guān)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文對(duì)某型火控雷達(dá)俯仰殼體風(fēng)載環(huán)境下的陣面展開與撤收、高轉(zhuǎn)速搜索及搜轉(zhuǎn)跟工作狀態(tài)下的受力進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出了陣面天線在風(fēng)場環(huán)境下倒伏過程及高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)風(fēng)力矩和不平衡力矩的計(jì)算及仿真方法。通過ANSYS Workbench的運(yùn)用以及Simcenter 3D & AMESim（1D）聯(lián)合仿真，使仿真環(huán)境更接近實(shí)際情況，提高了仿真的可信度，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。