沈德剛

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室， 江蘇 南京 210002)

某機載雷達天饋伺系統(tǒng)隨機振動分析*

沈德剛

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室， 江蘇 南京 210002)

文中針對某機載雷達天饋伺系統(tǒng)，進行使用環(huán)境下的隨機振動分析。首先建立天饋伺系統(tǒng)的有限元模型，進行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的固有頻率和對應振型，然后采用模態(tài)疊加法計算系統(tǒng)在隨機激勵試驗譜線作用下的應力、位移響應，最后對結構的強度進行校核并提出結構改進的方向。分析結果表明，該天饋伺系統(tǒng)可以滿足產品的使用環(huán)境要求并具有一定的安全余量。

天饋伺系統(tǒng)；隨機振動；有限元；模態(tài)疊加法

引 言

雷達技術的不斷深入及雷達設計手段的提升，使雷達技術不斷躍上新的臺階[1]。隨機振動是造成機載結構破壞的重要因素，也是振動工程領域研究的一個熱點問題。隨機振動的響應分析結果是復雜工程結構構形設計、材料選取、可靠性評估等的重要參考依據。目前，除試驗手段外，尚無非常適合的理論分析方法用于結構的寬帶隨機振動環(huán)境設計與考核[2]，因此有限元法是替代試驗方法的重要手段。有限元法不但能給出整體的詳細信息，還能給出局部的詳細信息(如加速度、應力響應等)，在工程領域較多用于隨機振動分析[3]。某波段雷達的天饋伺系統(tǒng)結構復雜，使用環(huán)境惡劣，其強度是設計過程中必須考慮的因素,本文采用數(shù)值模擬的形式對某雷達天饋伺系統(tǒng)進行了隨機振動分析，并對結構強度進行了校核。

1 天饋伺系統(tǒng)簡化模型

天饋伺系統(tǒng)由天線、天線座和饋線3部分組成，天線、天線座與饋線之間采用螺釘緊固，天線座通過大螺栓與飛機緊固并作為基礎約束，其連接關系如圖1所示。

根據天饋伺系統(tǒng)的工作狀態(tài)和受力情況簡化幾何模型，由于系統(tǒng)的結構較復雜，為了減小計算規(guī)模，提高計算效率，將原幾何模型中對分析結果影響較小的幾何特征去除，得到簡化后的幾何模型。采用專業(yè)的前處理軟件ICEM CFD分別對簡化后的天饋伺系統(tǒng)的各個零件單獨進行網格劃分，最后進行網格模型的組裝。為了精確地描述結構的力學響應，模型采用六面體結構網格，且保證結構的薄壁處含有3層以上的單元分布，劃分后的天饋伺系統(tǒng)網格如圖2所示。

圖1 天饋伺系統(tǒng)的結構組成

圖2 天饋伺系統(tǒng)的網格模型

2 模態(tài)分析

隨機振動有限元分析求解方法主要有模態(tài)疊加法和直接積分法，本文采用模態(tài)疊加法求解。模態(tài)疊加法的特點是預先求出天饋伺系統(tǒng)的模態(tài)，即按自然頻率和模態(tài)將完全耦合的通用運動方程轉化為一組獨立的非耦合方程[4]。該結構在激振力作用下的運動方程可以簡寫為

(1)

式中：[M]是質量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移響應；{f}是激勵載荷。

通過對上式解耦，得到位移響應為不同陣型的疊加公式。

模態(tài)分析時應合理選擇計算模態(tài)的階數(shù)和頻率范圍，以免在頻響分析時因參數(shù)選取不當造成共振頻率點的遺漏，進而使分析結果誤差較大，影響結果的可靠度。天饋伺系統(tǒng)前3階模態(tài)結果如表1和圖3所示。

表1中給出了天饋伺系統(tǒng)的前3階固有頻率值，圖3為對應的前3階振型，從圖3可以看到1階振型為方位振動，2階振型為俯仰振動，3階為橫滾方向振動。

表1 天饋伺系統(tǒng)前3階固有頻率

圖3 天饋伺系統(tǒng)前3階模態(tài)振型

3 隨機振動響應分析

3個正交軸向的功能振動試驗量值如圖4所示，每軸向試驗時間為1 h。耐久試驗量值為功能量值的1.6倍，產品在非工作狀態(tài)下進行3個正交軸向的試驗，試驗時間為每軸向5 h。

圖4 隨機振動功能試驗譜線

在模態(tài)分析的基礎上，進一步對天饋伺系統(tǒng)進行3個軸向的隨機振動響應分析，獲得天饋伺系統(tǒng)的結構位移和應力響應，以校核結構強度是否滿足隨機振動的環(huán)境條件要求。

3.1X向隨機振動響應分析結果

圖5為天饋伺系統(tǒng)在X向隨機振動載荷下的應力響應云圖，由于有限元模型中同時包含了實體單元和殼單元，因而應力響應云圖分成了實體單元部分和殼單元部分。從圖5可以看出，X向隨機振動時的最大1σ應力為28.6 MPa，發(fā)生在天線座與載機接口的螺栓孔處，3σ應力為85.8 MPa。

圖5 天饋伺系統(tǒng)X向隨機振動應力響應

圖6為天饋伺系統(tǒng)在X向隨機振動載荷下的位移響應云圖，從圖6可以看出，最大位移為0.53 mm，位于天線陣面底端。

圖6 天饋伺系統(tǒng)X向隨機振動位移響應

3.2Y向隨機振動響應分析結果

圖7為天饋伺系統(tǒng)在Y向隨機振動載荷下的應力響應云圖，從圖7可以看出，Y向隨機振動時的最大1σ應力為31.9 MPa，仍發(fā)生在天線座與飛機的安裝接口處，3σ應力為95.7 MPa。

圖7 天饋伺系統(tǒng)Y向隨機振動應力響應

圖8為天饋伺系統(tǒng)在Y向隨機振動載荷下的位移響應云圖，從圖8可以看出，最大位移為0.68 mm，位于天線陣面底端。

圖8 天饋伺系統(tǒng)Y向隨機振動位移響應

3.3Z向隨機振動響應分析結果

圖9為天饋伺系統(tǒng)在Z向隨機振動載荷下的應力響應云圖，從圖9可以看出，Z向隨機振動時的最大1σ應力為31 MPa，仍發(fā)生在天線座與飛機的安裝接口處，3σ應力為93 MPa。

圖9 天饋伺系統(tǒng)Z向隨機振動應力響應

圖10為天饋伺系統(tǒng)在Z向隨機振動載荷下的位移響應云圖，從圖10可以看出，最大位移為1.52 mm，位于天線陣面底端。

圖10 天饋伺系統(tǒng)Z向隨機振動位移響應

綜上所述，天饋伺系統(tǒng)在X向、Y向和Z向隨機振動條件下安裝接口處存在局部的應力集中，最大應力發(fā)生在Y向振動激勵的情況下， 3σ應力為95.7 MPa，小于220 MPa的許用應力，故可認為整個結構強度滿足安全要求。另外，由于天線和饋線結構基本為薄壁焊接結構，應力較為均勻，受加工要求約束，因此減重余量不大。天線座左右支臂安全系數(shù)較大，仍有進一步減重的可能，可作為后續(xù)優(yōu)化設計的重點。

4 結束語

本文通過對雷達天饋伺系統(tǒng)的模態(tài)分析，得到雷達天饋伺系統(tǒng)在功率譜范圍內的各階固有頻率，并在此基礎上進行了隨機振動分析，得到了最大振動應力。從結果可以看出，最大應力發(fā)生在天線座與飛機的安裝接口處，但系統(tǒng)的整體強度滿足結構強度要求，表明該設計完全滿足雷達使用要求。

[1] 程海平. 某雙偏振雷達饋線系統(tǒng)結構設計[J]. 機械與電子, 2010, 7(1):107-109.

[2] 韓增堯，曲廣吉．航天器寬帶隨機振動響應分析[J]. 中國空間科學技術, 2002, 2(2): 24-30.

[3] 郭萬存, 吳清文, 劉宏偉, 等. 用靜強度理論考查結構隨機振動響應的工程分析方法[J]. 機械強度，2012, 34 (1): 31-36.

[4] 白葳, 喻海良. 通用有限元分析ANSYS8.0 基礎教程[M]. 北京:清華大學出版社, 2005.

沈德剛(1977-)，男，工程師，主要從事航空裝備監(jiān)造工作。

Random Vibration Analysis for Antenna Feed and Servo Systems of an Airborne Radar

SHEN De-gang

(NavalAviationMilitaryRepresentativeOfficeinNanjingArea，Nanjing210002,China)

The random vibration analysis of the antenna, feed and servo systems of an airborne radar is carried out under operation environment in this paper. The finite element model of the antenna, feed and servo systems is firstly established. And the mode analysis is carried out to obtain the inherent frequencies of the systems and the corresponding vibration types. Then the stress and displacement responses of the systems are obtained under random vibration spectrum line by the mode superposition method. Finally the structure strength is checked and the improvement orientation is put forward. The analysis result shows that the antenna, feed and servo systems can meet the product operation environment requirements and have enough safety redundancy.

antenna feed and servo systems; random vibration; finite element; mode superposition method

2013-08-19

TN82

A

1008-5300(2013)05-0001-03