某艦載火控雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周麗陽(yáng),陳超朋,張雷亭,趙選榮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引 言

艦載火控雷達(dá)是艦炮武器系統(tǒng)的重要組成部分,它的性能直接決定艦炮武器系統(tǒng)的打擊能力[1]。隨著艦艇武器技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代海戰(zhàn)的升級(jí),艦載火控雷達(dá)作為艦炮武器系統(tǒng)的眼睛和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),可以對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤,實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地提供目標(biāo)的位置信息,經(jīng)火控系統(tǒng)解算后,有效殺傷敵方來(lái)襲目標(biāo)[2-3]。

天線座是雷達(dá)天線的定向和支撐裝置,它通過(guò)伺服系統(tǒng)控制天線按照預(yù)定的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng),并完成運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下各種信號(hào)的傳遞。早期的雷達(dá)系統(tǒng)性能相對(duì)較低,對(duì)天線座的結(jié)構(gòu)要求相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展和雷達(dá)技術(shù)在航海、航天、航空等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,對(duì)天線座的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[4]。天線座結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜繁多,對(duì)加工制造工藝要求高,工作時(shí)承受靜力、炮振、沖擊等多種載荷,并且對(duì)雷達(dá)整機(jī)的精度、可靠性、成本和加工周期的影響較大,也是影響雷達(dá)整機(jī)性能的重要因素[5]。

在傳統(tǒng)的天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員一般根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),利用類(lèi)比法和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和一些簡(jiǎn)單的核算,這樣必然會(huì)出現(xiàn)為了增加安全系數(shù),保證天線座的強(qiáng)度剛度,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件重量增加、傳動(dòng)系統(tǒng)靈活性降低等問(wèn)題[6]。近年來(lái),天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐步引入了一些新的方法和手段,如虛擬樣機(jī)技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及有限元分析方法等,不斷向理論化、科學(xué)化的方向發(fā)展。

本文主要研究某艦載火控雷達(dá)天線座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),運(yùn)用UG軟件建立天線座的三維模型,計(jì)算天線座所受的主要載荷并對(duì)其軸系精度進(jìn)行分析,最后利用有限元分析軟件對(duì)天線座進(jìn)行模態(tài)分析,裝配完成后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果表明該天線座精度高,穩(wěn)定性強(qiáng),可靠性高,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

1 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線座是雷達(dá)的主要組成部分,雷達(dá)天線座的設(shè)計(jì)要滿足雷達(dá)的用途、使用條件和性能指標(biāo)。天線座的設(shè)計(jì)要保證天線陣面的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、天線陣面轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和角加速度、伺服系統(tǒng)的精度要求、天線座的剛度、在極限環(huán)境下天線座的強(qiáng)度、系統(tǒng)要求的外形尺寸和重量等要求。根據(jù)指標(biāo)要求,本天線座采用俯仰-方位型天線座結(jié)構(gòu)型式,俯仰叉臂內(nèi)側(cè)安裝天線陣面,俯仰軸通過(guò)天線陣面重心,天線上安裝光電望遠(yuǎn)鏡,同時(shí)叉臂外側(cè)預(yù)留光電望遠(yuǎn)鏡安裝接口。方位和俯仰均采用力矩電機(jī)套軸直接驅(qū)動(dòng)的形式,采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度傳感器。天線陣面和天線座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線陣面和天線座結(jié)構(gòu)三維示意圖

1.1 天線座的結(jié)構(gòu)組成

俯仰-方位型天線座結(jié)構(gòu)承載大,精度高,結(jié)構(gòu)緊湊,結(jié)構(gòu)剛性好,便于維修。其主要組成有方位傳動(dòng)、俯仰傳動(dòng)以及輔助功能模塊。輔助功能模塊有起保護(hù)作用的鎖定裝置、緩沖器等。俯仰傳動(dòng)和方位傳動(dòng)為各組合、模塊以及外購(gòu)件等提供合理的安裝位置以及線纜轉(zhuǎn)接接口。

(1) 俯仰傳動(dòng)裝置

俯仰傳動(dòng)裝置主要由俯仰殼體、俯仰電機(jī)、主軸(由2個(gè)半軸組成)、軸承、軸承座、多極旋變等組成。俯仰傳動(dòng)裝置通過(guò)2個(gè)半軸將天線陣面連接在一起。2個(gè)半軸互相獨(dú)立,自成體系。每個(gè)半軸通過(guò)2個(gè)角接觸球軸承背靠背安裝進(jìn)行定位和支撐。其中一個(gè)半軸同軸安裝力矩電機(jī),實(shí)現(xiàn)天線陣面俯仰轉(zhuǎn)動(dòng);另一個(gè)半軸安裝多極旋變,實(shí)現(xiàn)天線陣面俯仰角度的實(shí)時(shí)采集。俯仰傳動(dòng)裝置主要組成如圖2所示。

圖2 俯仰傳動(dòng)裝置主要組成示意圖

(2) 方位傳動(dòng)裝置

方位傳動(dòng)裝置主要由方位殼體、方位杯型件、方位軸承、下方位殼體、方位電機(jī)、多極旋變和匯流環(huán)組成。方位傳動(dòng)裝置通過(guò)軸承將方位殼體與杯型件相連,方位殼體通過(guò)方位安裝面與炮架安裝臺(tái)相連,方位杯型件通過(guò)螺栓與俯仰部分連接組成天線座。方位傳動(dòng)通過(guò)力矩電機(jī)套軸驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)天線陣面方位轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)多極旋變同軸安裝,實(shí)現(xiàn)天線陣面俯仰角度的實(shí)時(shí)采集。方位傳動(dòng)裝置主要組成如圖3所示。

圖3 方位傳動(dòng)裝置主要組成示意圖

(3) 鎖定裝置

該天線座方位、俯仰傳動(dòng)均安裝有自動(dòng)鎖定裝置,鎖定裝置選用經(jīng)其他成熟系列雷達(dá)充分驗(yàn)證、并已作為通用件推廣使用的自動(dòng)鎖模塊。方位鎖及俯仰鎖結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

圖4 鎖定裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 俯仰緩沖器三維結(jié)構(gòu)示意圖

(4) 俯仰緩沖裝置

由于該雷達(dá)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-16°～+68°,需安裝緩沖器來(lái)防止失控而損壞天線和線纜。本文按照《雷達(dá)天線座緩沖器通用設(shè)計(jì)方法》對(duì)俯仰緩沖器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 天線座主要參數(shù)分析計(jì)算

(1) 天線座典型載荷計(jì)算

對(duì)于俯仰-方位型天線座,所受的主要載荷有慣性力矩、風(fēng)力矩、摩擦力矩和不平衡力矩等[7]。通過(guò)計(jì)算天線座的典型載荷,得到天線座方位傳動(dòng)和俯仰傳動(dòng)的總力矩,為俯仰電機(jī)和方位電機(jī)的選型提供指導(dǎo):

(1)

M1=(J+m×r2)×β

(2)

M2=M5+F×r+M6

(3)

M3=μ×G×r

(4)

M4=G×r×sinα

(5)

式中:M總為總力矩;M1為慣性力矩;M2為風(fēng)力距;M3為摩擦力矩;M4為不平衡力矩;M5為重心位置風(fēng)力矩;M6為轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼風(fēng)力矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;m為陣面天線的質(zhì)量;r為重心距離;β為角加速度;μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù);G為載荷;α為最大傾覆角。

典型載荷按照均方根進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果如表1所示。

表1 典型載荷計(jì)算結(jié)果

(2) 天線座軸系精度分析

(a) 方位軸與俯仰軸的不垂直度

對(duì)于方位俯仰型天線座,影響其方位軸和俯仰軸不垂直度的因素主要有2種類(lèi)型:一種是加工公差(如殼體的尺寸公差,形位公差(同軸度、平行度、垂直度)等);一種是軸承的精度。加工公差是固有因素,可以少量進(jìn)行調(diào)整,軸承精度是隨機(jī)產(chǎn)生的,無(wú)法調(diào)整。

設(shè)δ為高度差,L為跨度,根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算出方位軸線和俯仰軸線的不垂直度:

α=arctan(δ/L)×3 600″≈19.06″

(b) 水平調(diào)整剩余誤差

(c) 光機(jī)匹配調(diào)整剩余誤差

此部分主要靠調(diào)整環(huán)節(jié)、操作者經(jīng)驗(yàn)、光機(jī)匹配工裝的精度來(lái)保證,以往成熟產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝可將該誤差控制在≤30″的范圍內(nèi)。

2 模態(tài)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有屬性[8],與產(chǎn)品的性能、壽命、安全性以及可靠性、經(jīng)濟(jì)性等息息相關(guān)。為了適應(yīng)雷達(dá)快速響應(yīng)的要求,減小伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤誤差,天線座的一階固有頻率應(yīng)盡量提高[9]。

2.1 模態(tài)分析

由于試驗(yàn)時(shí)天線座安裝于振動(dòng)支架上,為了使試驗(yàn)和仿真邊界條件相同,便于分析比較,在有限元分析模型中增加振動(dòng)支架的有限元模型,可以進(jìn)一步提高有限元分析和建模的正確性和準(zhǔn)確性[10]。

本文首先通過(guò)UG軟件建立天線座和振動(dòng)支架的三維模型,利用Hypermesh有限元前處理軟件對(duì)天線座結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,考慮到模型準(zhǔn)確性與建模經(jīng)濟(jì)性,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,刪除對(duì)仿真結(jié)果影響較小的圓角、倒角等特征,得到天線座有限元模型。天線座模型離散為四面體單元;用梁?jiǎn)卧M軸承連接;螺栓連接用剛性單元與梁?jiǎn)卧Y(jié)合的方式模擬;小質(zhì)量設(shè)備采用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬,并通過(guò)柔性單元連接到對(duì)應(yīng)安裝面上。

模態(tài)計(jì)算時(shí),約束振動(dòng)支架的底部,基于Lamczos法對(duì)天線座模型進(jìn)行計(jì)算,得到其前四階模態(tài)結(jié)果如圖6所示。

圖6 天線座前四階模態(tài)

由圖6可看出:天線座的一到四階模態(tài)分別約為30.1 Hz、35.5 Hz、39.9 Hz、76.7 Hz。一階模態(tài)為天線座橫向的擺動(dòng),二階模態(tài)為天線座射向的擺動(dòng),三階模態(tài)為方位傳動(dòng)的擺動(dòng),四階模態(tài)為俯仰傳動(dòng)的擺動(dòng)。各階模態(tài)中振動(dòng)支架幾乎沒(méi)有變形,說(shuō)明其對(duì)天線座的模態(tài)幾乎沒(méi)有影響,設(shè)計(jì)合理。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用單軸振動(dòng)臺(tái)對(duì)天線座射向、橫向以及垂向進(jìn)行掃頻試驗(yàn),從而獲取各方向的固有模態(tài)。試驗(yàn)采用對(duì)數(shù)掃頻法,通過(guò)設(shè)置恒定加速度或恒定位移(如表2所示),進(jìn)而獲得被測(cè)試件不同頻率下的響應(yīng),此方法可在保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性的同時(shí)縮短試驗(yàn)時(shí)間[11]。

表2 掃頻試驗(yàn)參數(shù)

掃頻試驗(yàn)獲得的響應(yīng)數(shù)據(jù)為隨時(shí)間變化的時(shí)域信息,且加速度數(shù)據(jù)樣本為離散形式。將這些時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅里葉變換可以獲得對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào),得到不同頻率下天線座的功率譜如圖7所示。

圖7 天線座掃頻頻域數(shù)據(jù)

由圖8可知,天線座進(jìn)行掃頻試驗(yàn)得到其固有頻率射向?yàn)?5 Hz,橫向?yàn)?0 Hz,垂向?yàn)?3 Hz。將各軸向固有頻率按照從低到高排序,并與有限元分析頻率和振型對(duì)比,如圖8所示,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果缺少第三階模態(tài)。王飛朝[12]在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了此模態(tài)丟失現(xiàn)象。主要是由于振動(dòng)臺(tái)是單軸,且施加激勵(lì)量級(jí)較小的原因?qū)е?不影響后續(xù)分析。把仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,最大誤差7.6%,說(shuō)明天線座有限元仿真的準(zhǔn)確性高。根據(jù)各階模態(tài)的分布情況、固有頻率的大小及振型,可認(rèn)為該天線座的設(shè)計(jì)是合理的,能夠滿足該艦載火控雷達(dá)的使用要求。

圖8 雷達(dá)天線仿真與試驗(yàn)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某艦載火控雷達(dá)的天線座總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要描述,建立天線座的三維模型,計(jì)算其所受的主要載荷及軸系精度,利用有限元分析軟件對(duì)天線座進(jìn)行模態(tài)分析,提取前四階模態(tài)并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:試驗(yàn)與仿真間的誤差小,驗(yàn)證了有限元模型仿真的準(zhǔn)確性,以及有限元分析在降低研發(fā)成本方面的必要性和可行性。該天線座精度高,穩(wěn)定性強(qiáng),可靠性高,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。