基于ANSYS Workbench的某車載雷達天線結構力學分析

濮贊泉,陶 俏

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

天線系統作為車載雷達的核心組成部分,負責信號的發送和接收[1],如何在滿足性能指標、安全性和機動性的條件下做到重量輕、剛強度高一直是天線結構設計的重點。車載雷達在運輸和工作姿態下須要克服各種惡劣環境,包括風載荷、運輸顛簸等,由此帶來的振動和沖擊會引起結構變形,造成天線指向偏差,嚴重的會影響雷達系統的性能指標[2],所以必須在設計階段對天線結構在多種載荷、振動和沖擊作用下的響應進行精準的分析研究,以保障其結構的安全性和可靠性,將其對天線性能的影響控制在可接受范圍內。

本文以某車載雷達天線為例,運用有限元軟件對其在不同工況下的結構響應進行了仿真分析,得到了該天線系統的固有頻率、振型以及在對應工況下的應力應變云圖,并以此為依據評判惡劣工況下結構設計的可行性。

1 有限元模型

1.1 模型簡化

該車載雷達天線系統主要由升降桿和天線艙兩部分組成,運輸姿態下升降桿收回,工作姿態下升降桿升起。整個系統包含眾多部件,且各部件間存在較為復雜的連接關系,因而須要在確保計算精度的條件下對模型進行簡化,不考慮細小部件、過渡圓弧、微小的凸臺和孔、淺槽等結構特征對整體結構剛強度以及振動與沖擊性能的影響,重點對天線結構進行力學分析計算。圖1為簡化后的模型。

(a)運輸姿態 (b)工作姿態

圖2 網格劃分

1.2 材料選擇

天線艙反射面和蒙板材料為5A05鋁合金,艙體骨架由Q345鋼方管焊接而成,天線艙安裝法蘭、升降桿以及載車平臺底板材料均為Q345鋼,主要性能參數見表1。

表1 材料參數

1.3 網格劃分

將簡化后的天線結構模型導入ANSYS Workbench,賦予材料,進行網格劃分。網格劃分的優劣將直接影響計算結果的準確性,網格劃分得越細,其計算結果越精確,但同時計算效率也會降低,并可能引起網格畸變,造成計算結果偏差,因而須要根據模型結構特點,選擇尺寸合適的網格尺寸。本文采用尺寸控制法,通過Element Sizing選項來設置單元尺寸,對可能造成應力集中的位置進行網格細化處理,最終有限元模型網格數量為3 656 638,平均質量為0.73,滿足計算要求。

2 結構力學特性分析

2.1 工作姿態下靜力學分析

該雷達天線系統在工作姿態下受到的靜載荷主要包括自重和風載荷,其中自重載荷包括升降桿、天線艙及內部設備重量。作用在天線系統上的風載荷可以用下式計算[3]:

F=CFqA

(1)

式中:CF為風阻系數,與結構形狀及雷諾數有關,參考同類型設備取1.41[4];q為動壓,其大小與空氣密度有關,在標準大氣壓下,當溫度為15℃時,一般取q=1/16 v2;v為風速,取極限風速35 m/s;A為天線的特征面積。

將上述載荷同時作用在天線結構模型上,進行靜力學仿真,其應力應變云圖如圖3所示。

(a)變形云圖

仿真結果表明:天線在自重、風載荷共同作用下,最大應力為43.8 MPa,滿足材料強度要求,能保證在最惡劣的工況下不被破壞。

天線系統在自重、風載荷共同作用下,頂部的最大偏移量為44.3 mm。在工作姿態下,天線系統頂部的偏移由兩部分疊加而成:一是其在自重和風載荷共同作用下升降桿本身的剛性變形;二是由于升降桿各桿體之間存在結構間隙,各節桿體間隙累積引起的最大偏移量。升降桿在設計過程中每節桿體之間的理論間隙為0.8 mm,經計算得出由升降桿每節桿體之間間隙引起的頂部偏移為17.2 mm,最大總偏移量為61.5 mm,滿足最大偏移量不超過200 mm的設計要求。

2.2 模態分析

固有頻率和振型反映結構的振動特性,是動態荷載結構設計中的重要參數,是開展動力分析的基礎,結構件在外荷載作用下產生的的應力和形變都與振動時的頻率和振型相關[5]。為避免共振導致天線結構因應力過大損壞,有必要對系統進行模態分析,以確定系統的固有頻率和振型。通過仿真得到天線系統前6階的固有頻率如表2所示,前6階振型如圖4所示。

表2 天線系統前6階固有頻率

圖4 天線系統前6階振型

仿真結果表明:該天線系統前2階固有頻率在16 Hz左右,不在載車平臺的主要共振頻率內,結構設計上避免了共振現象的發生。

2.3 運輸姿態下仿真分析

2.3.1 運輸姿態下振動分析

根據設計要求,車載雷達在運輸姿態下應能承受表3的振動條件而不破壞。

表3 振動條件

經數值仿真分析,在該振動條件下,天線最大變形為0.88 mm,最大應力為82.05 MPa,出現在天線艙體與升降桿的連接處附近,滿足剛強度設計要求,應力分布如圖5所示。

圖5 振動工況下應力分布云圖(3σ)

2.3.2 運輸姿態下沖擊分析

當車載雷達在運輸過程中受到動態沖擊時,在慣性力的作用下,其結構會產生沖擊響應和物理變形,為確保天線結構在突然外力和沖擊載荷作用下的可靠性與抗沖擊性,根據國軍標要求,沖擊條件如表4所示。

表4 沖擊條件

對天線結構分別施加X、Y、Z方向的沖擊載荷。在X方向沖擊作用下,天線結構最大變形為13.49 mm,應力在升降桿與載車平臺連接處達到最大,最大應力為212.89 MPa,小于桿體材料Q345鋼的屈服強度;在Y方向沖擊作用下,天線結構最大變形為13.54 mm,應力在升降桿與載車平臺連接處達到最大,最大應力為214.1 MPa,小于桿體材料Q345鋼的屈服強度;在Z方向沖擊作用下,天線結構最大變形為1.89 mm,應力在天線艙體與升降桿的連接處達到最大,最大應力值為120.97 MPa,小于安裝法蘭材料Q345鋼的屈服強度。根據仿真結果,各向應力最大值均小于材料屈服強度,天線結構在該沖擊條件下不會發生破壞,滿足設計要求。圖6、圖7分別為沖擊作用下的應力分布和變形云圖。

(a)X向 (b)Y向 (c)Z向

(a)X向 (b)Y向 (c)Z向

3 結束語

本文以某車載雷達天線系統為研究對象,基于ANSYS Workbench有限元軟件,對天線結構在不同工況下的力學特征進行了研究。仿真結果顯示:該天線結構在瞬時12級風載荷和重力載荷作用下,其天線艙頂部的最大橫向偏移量為61.5 mm,最大應力為43.8 MPa;在振動載荷作用下,天線結構最大變形為0.88 mm,最大應力值為82.05 MPa;在X、Y、Z三個方向沖擊載荷作用下,最大應力為214.1 MPa,最大變形為13.54 mm。研究結果表明該天線結構設計可行,整體剛強度較好,滿足設計要求,為后續進一步改進優化提供了參考。