樊友軍，王乾峰，仙 錦

(南湖機械總廠，湖北 荊州 434007)

某雷達天線主塔受力分析

樊友軍，王乾峰，仙 錦

(南湖機械總廠，湖北 荊州 434007)

米波雷達由于天線陣面口徑大，天線主塔受力復雜，其結構的安全性和可靠性一直是結構設計的重點。在某型雷達的研制過程中，對主塔的受力情況進行了仿真分析，在樣機上對仿真狀態(tài)下的應力進行了理論計算、仿真分析和應力測試，并對理論計算、仿真分析和應力測試3種方法所得到的數(shù)據(jù)進行了比對分析，發(fā)現(xiàn)其結果存在一定的差異。對產(chǎn)生差異的原因進行了分析，找出應力變化、傳遞的規(guī)律，為類似結構設計提供參考依據(jù)。

雷達；天線；主塔；應力；仿真；測試

圖1 某系列雷達主塔結構形式示意圖

由于米波雷達單元天線布局稀疏，陣面口徑較大，天線陣面結構常以天線主塔為基礎展開布置。隨著新技術在雷達天線上的應用，某系列雷達天線陣面的重量由不足2t增加至近7t；為了提高雷達的機動性，天線的舉升/倒架傳動機構由手動+電動絞車、電動絲桿螺母衍變?yōu)榈揭簤簜鲃?，時間由20min縮短至3min。因此，其主塔的結構形式由簡單的桁架結構衍變?yōu)橄涫桨鍓K復合桁架結構，如圖1所示。雷達工作時，天線陣面所承受的載荷通過主塔傳遞到轉(zhuǎn)盤及天線座車上，主塔結構的剛強度直接影響到天線的穩(wěn)定性和指向精度[1]。下面，筆者根據(jù)天線陣面預計的載荷對主塔進行結構設計，利用Ansys軟件對主塔進行仿真分析，及時修改設計參數(shù)，在樣機上進行應力測試，通過對理論計算、仿真分析和應力測試的結果進行比對，找出應力變化、傳遞的規(guī)律，為類似結構設計提供參考依據(jù)。

1 工況及分析說明

1.1工況

1.2分析說明

通過前期計算，天線主塔在舉升的初始狀態(tài)時受力最大，工作狀態(tài)時天線陣面在風載作用下對座車抗傾覆支腿產(chǎn)生的傾覆力矩最大。筆者僅研究主塔的受力情況，故在進行計算、仿真和測試的過程中只考慮天線舉升初始狀態(tài)時在自重的作用下對主塔所產(chǎn)生的拉壓應力。

2 仿真分析

主塔結構由簡單的桁架結構衍變?yōu)橄涫桨鍓K復合桁架結構，此結構為典型的板殼結構，采用板殼模型進行計算能較好的反映主塔的實際受力情況。三維板殼幾何模型的具體結構形式、幾何形狀、尺寸參數(shù)及各構件的連接關系均與原結構保持一致，不做過多的簡化，假設各構件的焊接為理想焊接。主塔選用的材料為Q345B，密度ρ=7.8×103kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，許用應力σ=220MPa。按照主塔舉升的初始狀態(tài)時受力情況對模型給定載荷，經(jīng)分析主塔應力云圖如圖2所示，各點應力值見表1(“-”表示拉應力)。

圖2 主塔應力云圖

3 應力測試

試驗采用電測法對雷達主塔進行應力分析。電測法主要是通過貼在構件被測點處的應變片，將被測點的應變值轉(zhuǎn)換為應變片的電阻變化，再利用電阻應變儀測出應變片的電阻變量，并直接轉(zhuǎn)換輸出應變值,然后依據(jù)虎克定律計算出構件被測點的應力值的大小，是將物理量、力學量、機械量等非電量通過敏感元件轉(zhuǎn)換成電量來進行測量的一種方法[2]。電阻變量與應變值關系如下：

式中,Ks為金屬細絲的電阻應變靈敏系數(shù)；R、l分別為敏感柵金屬細絲的電阻、長度；ΔR、Δl分別為測試前后金屬細絲的電阻、長度變化量。

圖3 測量電橋

試驗采用TST3826靜態(tài)應變測試系統(tǒng)，最高采樣頻率1Hz；最高分辨率1με；測量應變范圍±20000με。3片直角應變花若干(電阻119.8±1Ω，靈敏系數(shù)2.08%±1%，柵長×柵寬：5 mm×3mm)。

為消除溫度變化等因素對測量精度的影響，分組對測點進行了相應的補償，如圖3所示。采集舉升初始狀態(tài)下主塔上應變片的應變值，得到相應的數(shù)據(jù)。由于設備誤差，倒架狀態(tài)的初始應變?yōu)?，主塔離開支架后所測應變值也存在一定的波動。為減小誤差，對數(shù)據(jù)進行如下處理：將倒架狀態(tài)和恢復到倒架狀態(tài)的應變值取平均，作為初始應變；將舉升初始狀態(tài)下的較穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)取平均，作為測量應變值；將測量應變值減去初始應變值，得到該點最終實測應變值。各點應力值見表1。

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4 理論計算

對主塔結構進行簡化處理后，按照靜力學和材料力學的方法對主塔特殊部位進行受力分析。

4.1支座定點應力計算

4.2側(cè)壁前面應力情況

轉(zhuǎn)點受力簡圖如圖5所示，其中F1,F2,F3為拉力，N。

圖4 支座受力示意圖 圖5 轉(zhuǎn)點受力簡圖

根據(jù)平面任意力系的平衡方程有：

F1cos4°+F2cos33°-F3cos87°+71.3×104=0

F1sin4°+F2sin33°+F3sin87°+3.6×104=0 32F1-42F2+240F3=0

得：

F1=-62.15×104NF2=-10.54×104NF3=6.44×104N

從而應力σ1，σ3計算如下：

5 數(shù)據(jù)比對分析

表1 應力值對比表

主塔各點測試應力值、有限元仿真分析應力值和特殊點的計算應力值見表1。通過比較可以看出，有限元分析、應力測試和理論計算的結果存在一定的差異，造成差異的原因主要有以下幾點：①在對復雜的空間桁架結構建模時進行了簡化或近似處理，對仿真的結果有一定的影響；②在應變片粘貼的初始狀態(tài)與有限元分析的邊界條件不一致，導致結果存在一定差異[3]；③理論計算時對結構進行了簡化處理，使其計算結果存在一定的差異。

6 結 語

通過對某型雷達天線主塔在特定的受力環(huán)境下進行有限元分析、應力測試和理論計算的應力值進行比對，發(fā)現(xiàn)其值存在一定的差異，但其變化趨勢一致。對產(chǎn)生差異的原因進行了分析，為類似結構的設計提供了一定的參考依據(jù)。在進行受力分析和驗算時應采取多種方式，力求與實際工作狀態(tài)相近，其結果將對結構設計起到更好的指導作用。

[1]朱鐘淦，葉尚輝.天線結構設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979.

[2]王琦.電測法在應變測量中的應用簡述[J].濰坊高等職業(yè)教育，2009，5(4)：67-68.

[3]王曉紅，朱志遠.某雷達前梁的應力測試及仿真分析[J].電子機械工程，2009，25(5)：53-55.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.047

TN957.8；TP15

A

1673-1409(2012)06-N145-03