基于輕量化的艦載雷達穩(wěn)定平臺的設(shè)計與特性分析研究

薛 珊，孟憲宇，趙運來，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

基于輕量化的艦載雷達穩(wěn)定平臺的設(shè)計與特性分析研究

薛 珊，孟憲宇，趙運來，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

為了使艦載雷達隔絕船搖，進行了雷達穩(wěn)定平臺的初始設(shè)計。為了能夠輕量化，提高剛度，提高抗沖擊性能，更好的滿足國軍標(biāo)，提出了一種改進設(shè)計。分別對初始設(shè)計和改進設(shè)計的平臺運用Creo軟件進行了數(shù)字化建模。將所建模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，建立有限元模型，對兩種設(shè)計進行了有限元分析，包括靜態(tài)特性分析和動態(tài)特性分析。其中動態(tài)特性分析包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析。分析結(jié)果對比表明改進設(shè)計質(zhì)量減輕了21%，一階固有頻率提高了48%，大大提高了剛度，在美軍標(biāo)的海浪沖擊下，所設(shè)計的改進平臺變形量小于1mm，剛度、強度都符合要求，抗沖擊性也符合要求，為雷達穩(wěn)定平臺的設(shè)計及優(yōu)化提供了參考。

雷達穩(wěn)定平臺；輕量化；動態(tài)特性分析；譜分析

0　引言

艦載雷達越來越多的用于提高軍艦的生存能力、偵查能力和反偵察能力。艦載雷達在工作過程中經(jīng)常會受到海浪沖擊等干擾因素產(chǎn)生的振動與沖擊作用，在如此嚴(yán)峻的環(huán)境下工作，艦載雷達的安全性和可靠性逐漸引起了人們的關(guān)注［1，2］。

雷達穩(wěn)定平臺是支撐雷達的關(guān)鍵部位，它可以使雷達隔絕船搖，通過它實現(xiàn)了雷達的轉(zhuǎn)向、快速定位等功能，也是承受艦船振動和沖擊的主要部位。雷達穩(wěn)定平臺在靜態(tài)、動態(tài)沖擊下的剛度和強度的好壞直接影響著雷達系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)和定位的精度［3］。因此如何使雷達穩(wěn)定平臺輕量化，提高其剛度、強度，提高其抗沖擊性能成為研究熱點問題。

本文針對某型艦載雷達進行了雷達穩(wěn)定平臺設(shè)計。為了能夠輕量化，提高剛度，提高強度，提出了改進設(shè)計。運用Creo軟件進行了兩種設(shè)計的數(shù)字化建模，比較其質(zhì)量。對兩種設(shè)計進行有限元建模，進行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析。并對分析結(jié)果進行對比，來確定改進設(shè)計靜、動態(tài)特性是否提高。

1　艦載雷達穩(wěn)定平臺的設(shè)計

1.1艦載雷達穩(wěn)定平臺的設(shè)計要求

艦載雷達穩(wěn)定平臺是艦載雷達系統(tǒng)的重要組成部分，對其設(shè)計的主要要求：

1）實現(xiàn)功能，能夠使雷達完成繞方位軸和俯仰軸進行轉(zhuǎn)動；2）靜態(tài)下能夠滿足國軍標(biāo)的剛度和強度要求；3）動態(tài)下滿足國軍標(biāo)的剛度和強度要求。

綜合國軍標(biāo)要求，即綜合G J B 4 4 0.2-8 8、GJB1060.1-91、GJB150.16A-2009、GJB1446.63-92、GJB150.18A-2009等國軍標(biāo)要求，艦載雷達穩(wěn)定平臺安裝于甲板上，國軍標(biāo)對所設(shè)計的雷達穩(wěn)定平臺的具體要求：

1）在1～60Hz內(nèi)不發(fā)生共振，變形量不超過1mm；2）穩(wěn)定性試驗中變形量小于0.15mm，滿足強度校核；3）在國軍標(biāo)沖擊譜沖擊下，變形量不超過1mm，最好能夠在美軍標(biāo)沖擊譜沖擊下，變形量不超過1mm。

1.2艦載雷達穩(wěn)定平臺的初始設(shè)計和改進設(shè)計

1.2.1初始設(shè)計

初始設(shè)計的雷達穩(wěn)定平臺主要包括方位部分、俯仰部分、負載平臺、底座等。方位部分主要包括方位軸及方位軸外殼、方位軸內(nèi)轉(zhuǎn)子、力矩定子及轉(zhuǎn)子、編碼器、軸承、螺栓、陀螺儀等。俯仰部分主要包括俯仰軸及俯仰軸外殼、俯仰軸內(nèi)轉(zhuǎn)子、力矩定子及轉(zhuǎn)子、軸承、螺栓、陀螺儀等。

初始設(shè)計的雷達穩(wěn)定平臺的工作過程：由方位軸電機帶動方位部分進行轉(zhuǎn)動，同時帶動與方位軸連接的整個俯仰部分繞方位軸轉(zhuǎn)動。俯仰軸電機帶動整個俯仰部分繞著俯仰軸轉(zhuǎn)動，從而使負載平臺即可以繞著方位軸轉(zhuǎn)動，又可以繞著俯仰軸轉(zhuǎn)動。最終實現(xiàn)了雷達穩(wěn)定平臺的功能要求：負載平臺既可以即繞著方位軸轉(zhuǎn)動，也可以繞著俯仰軸轉(zhuǎn)動。

運用Creo2.0軟件對初始設(shè)計的平臺進行了數(shù)字化建模，其外形和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　初始設(shè)計的平臺的外形及結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2改進設(shè)計

為了能夠輕量化，提高剛度，提高抗沖擊性能，更好的滿足國軍標(biāo)，提出了一種改進設(shè)計。改進設(shè)計對外形和選取的材料進行了改變。對于傳動方式和工作原理沒有進行改變。將方位軸外殼和俯仰軸外殼設(shè)計成八邊形，并將其材料更換為硬鋁，同時將內(nèi)部支撐圈等結(jié)構(gòu)換為硬鋁，以減輕穩(wěn)定平臺重量。改進設(shè)計的外形及結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

由Creo模型可測得初始設(shè)計的平臺總重量為196kg，改進設(shè)計的平臺的總重量為155kg。改進設(shè)計的平臺比初始設(shè)計的平臺質(zhì)量減輕了41kg，減輕了21%。

圖2　改進設(shè)計的平臺的結(jié)構(gòu)示意圖

2　艦載雷達穩(wěn)定平臺有限元模型的建立

2.1簡化模型

本文所設(shè)計的雷達穩(wěn)定平臺尺寸較大，零件較多，且連接關(guān)系較為復(fù)雜，因此為了減少計算時間，在不影響計算精度情況下必須對模型進行簡化。在Creo中把整個模型的倒角、圓角以及直徑小于2mm的孔去掉，將編碼器等不受力的零件簡化為一體，得到簡化模型，如圖1（b）和圖2（b）所示。

2.2材料屬性

初始設(shè)計的平臺的有限元模型中將平臺中的編碼器、陀螺儀等不承受力的零件設(shè)置為硬鋁，將俯仰軸殼子、方位軸殼子、內(nèi)部支撐圈設(shè)置為硬鋁，密度為2793.5kg/m3，楊氏模量為0.7GPa，泊松比為0.33；其余零件均為鋼，密度為7850kg/m3，楊氏模量為2GPa，泊松比為0.3。

2.3網(wǎng)格劃分

進行分析前最重要的步驟之一就是劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響計算結(jié)果的精度［4］。理論上網(wǎng)格越精細結(jié)果越精確，但當(dāng)網(wǎng)格小到一定程度會出現(xiàn)應(yīng)力奇異現(xiàn)象。本文采用的是六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格，并對關(guān)鍵部件進行了細化，最終網(wǎng)格的畸變度為0.41。

3　穩(wěn)定平臺的有限元分析

3.1靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析是工程中最常用、應(yīng)用最廣泛的一種分析方法。在對穩(wěn)定平臺進行動態(tài)特性分析前應(yīng)先進行靜載荷分析［5］。運用ANSYS軟件在負載平臺上加100N的力模仿雷達重量，分別對初始設(shè)計平臺的負載平臺的各個姿態(tài)進行分析，將所有結(jié)果數(shù)值導(dǎo)入MATLAB中繪制圖像，得到了隨俯仰角度變化的最大應(yīng)力和最大變形曲線，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　初始設(shè)計平臺的最大應(yīng)力/俯仰角度曲線

圖4　初始設(shè)計平臺的最大變形量/俯仰角度曲線

從圖中可以看出初始設(shè)計平臺的負載平臺豎直時，即俯仰角度為0°時，平臺受力最大，變形量也最大。改進設(shè)計平臺的受力變形的趨勢和初始設(shè)計類似，這里不再出圖。俯仰角度為0°時，兩種設(shè)計的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　俯仰角度0°時初始設(shè)計平臺的應(yīng)力云圖和變形圖

圖6　俯仰角度0°時改進設(shè)計平臺的應(yīng)力云圖和變形圖

由圖中可得，兩種設(shè)計的最大應(yīng)力為3.60MPa和3.68MPa，遠小于材料的屈服極限340MPa，最大變形量為0.0137mm和0.0147mm，小于軍標(biāo)要求的0.15mm，可見其剛度和強度是滿足要求的。

3.2模態(tài)分析

模態(tài)分析是動態(tài)特征分析中最基礎(chǔ)和重要的部分，是研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的一種現(xiàn)代方法，是各種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能評估的一個強有力的工具。通過模態(tài)分析可以得出系統(tǒng)的固有頻率、振型、相對變形量等特性，從而可以進行剛度分析和避免系統(tǒng)共振［6］。

由彈性力學(xué)的變分原理，經(jīng)分析可得穩(wěn)定平臺的運動平衡方程為：

式中［M］為質(zhì)量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛P（t）｝為外力函數(shù)矢量；｛N｝為與和｛u｝相關(guān)的非線性外力項矢量；［Q］為邊界約束反力矢量；｛u｝為位移向量；為速度向量；為加速度向量。

為了求解平臺自由振動的固有頻率和振型，即穩(wěn)定平臺的固有頻率和振型時，令外力和阻尼均為0。令式（1）右邊為0，得：

其對應(yīng)的特征方程為：

式中ω為固有頻率。由于系統(tǒng)自由振動的振幅不能為零，則有：

由于負載雷達在俯仰角度不同時系統(tǒng)的固有頻率不相同，因此分別對初始設(shè)計的平臺在各個不同俯仰角度時，即不同姿態(tài)時進行模態(tài)分析。由于低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性有著重要影響，通常低階振型比高階振型影響要大得多［7］，因此特別把每種姿態(tài)的一階固有頻率提取出來繪成圖像，如圖7所示。

圖7　一階模態(tài)值/俯仰角度曲線

從圖中可以看出俯仰角度為10°時固有頻率最低。按照此趨勢，分別分析了兩種設(shè)計的平臺，當(dāng)俯仰角為10°時的模態(tài)分析。兩種設(shè)計的平臺一階模態(tài)分析結(jié)果如圖8和圖9所示，它們的各階固有頻率對比表如表1所示。

圖8　初始設(shè)計的平臺的一階模態(tài)

圖9　改進設(shè)計的平臺的一階模態(tài)

表1　初始設(shè)計和改進設(shè)計的平臺各階固有頻率對比表

如表1所示，初始設(shè)計和改進設(shè)計的平臺的一階固有頻率分別為80.29Hz和118.47Hz，均符合國軍標(biāo)要求的在60Hz以內(nèi)不得發(fā)生共振的要求。改進設(shè)計的平臺的一階固有頻率比初始設(shè)計的平臺的一階固有頻率提高了38.18Hz，提高了48%，剛度大大提高了，改進效果顯著。

3.3諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是時域分析，用于確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦規(guī)律變化載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)［8］。通過諧響應(yīng)分析可以得到幅頻特性曲線，曲線上的峰值點可以確定系統(tǒng)的共振點；還可以得到系統(tǒng)的持續(xù)動態(tài)性能。

本文運用ANSYS軟件分別對初始設(shè)計和改進設(shè)計的平臺進行了諧響應(yīng)分析。分析結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10　初始設(shè)計的平臺的幅頻特性曲線

圖11　改進設(shè)計的平臺的幅頻特性曲線

從圖10和圖11中可以看出，初始設(shè)計的平臺發(fā)生第一次共振在80Hz處，變形量為2.5×10-7mm。改進設(shè)計的平臺發(fā)生第一次共振在118Hz處，變形量為6.8×10-5mm。

諧響應(yīng)分析結(jié)果和模態(tài)分析結(jié)果保持一致，互相印證；并且可以看出平臺在0～60Hz內(nèi)沒有發(fā)生共振，且變形遠小于1mm，滿足設(shè)計要求。

3.4譜分析

對艦船設(shè)備進行抗沖擊分析是艦船設(shè)備設(shè)計不可缺少的部分。常用的方法有靜態(tài)G法、時域動態(tài)分析法、基于沖擊譜的響應(yīng)分析法［9］。美國海軍進行了一系列的實驗得到了基于沖擊譜的響應(yīng)分析法的DDAM譜分析，現(xiàn)已經(jīng)被廣泛用于艦船設(shè)備的抗沖擊分析。我國國軍標(biāo)GJB1060.1-91規(guī)定的動力學(xué)分析方法就是直接來自美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一維DDAM，即美軍標(biāo)比國軍標(biāo)要求更高。

本文采用的是美軍標(biāo)下的DDAM譜分析的方法對所設(shè)計的兩種穩(wěn)定平臺進行抗沖擊分析。分析結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12　初始設(shè)計的平臺的總變形云圖

從圖12和圖13可以看出在DDAM譜分析下初始設(shè)計和改進設(shè)計的穩(wěn)定平臺的最大變形量分別為0.32mm和 0.55mm，均小于1mm，符合軍標(biāo)要求，說明所設(shè)計的雷達穩(wěn)定平臺的抗沖擊性能很好。

圖13　改進設(shè)計的平臺的總變形云圖

4　結(jié)論

1）針對艦載雷達進行了雷達穩(wěn)定平臺初始設(shè)計和改進設(shè)計。運用Creo軟件分別進行了兩種設(shè)計的數(shù)字化建模，通過比較，改進設(shè)計的平臺比初始設(shè)計的平臺質(zhì)量減輕了21%，實現(xiàn)了輕量化。

2）分別對兩種設(shè)計的平臺進行了靜態(tài)特性分析，結(jié)果表明兩種設(shè)計均符合剛度和強度要求。

3）分別對兩種設(shè)計的平臺進行了動態(tài)特性分析，包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析。模態(tài)分析結(jié)果和諧響應(yīng)分析結(jié)果互相印證，表明改進設(shè)計的平臺一階固有頻率提高了48%，剛度大大提高。譜分析結(jié)果表明改進設(shè)計的平臺抗沖擊性能良好。

改進設(shè)計的平臺符合靜態(tài)、動態(tài)下的剛度和強度要求，以及抗沖擊性要求；同時實現(xiàn)了輕量化，大大提高了剛度；為同類平臺的設(shè)計和優(yōu)化提供了參考。

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［9］ 吳澤剛.盤式振動干燥機的動態(tài)特性研究［D］.東北大學(xué)，2010，6.

5）項目管理數(shù)據(jù)報表

將CATIA導(dǎo)出的項目總信息報表和ACCESS導(dǎo)出的項目文件報表，以零件圖號為關(guān)鍵字，通過Excel運算將兩個信息表進行合并，形成項目管理的數(shù)據(jù)報表。報表將設(shè)計端和工藝端的信息緊密聯(lián)系在一起，便數(shù)據(jù)的比較分析；通過該數(shù)據(jù)報表，可以快速得出無損清單、表處清單，核查交接文件提交情況，避免了很多無效的人力勞動。項目管理報表如圖5所示。

圖5　項目管理報表

3　結(jié)束語

本項目通過聯(lián)合CATIA、ACCESS、Excel開發(fā)多個功能模塊，使得從設(shè)計端數(shù)模信息提取到制造端工藝文件管理整個過程都自動化進行，大大提高工作效率。最后，將整個項目的信息匯總形成項目管理報表，使項目管理過程中的數(shù)據(jù)都顯性的展示出來，解決以往由于數(shù)據(jù)管理混亂造成的諸多項目管理問題，降低了項目管理的難度，提高了項目管理的效率；本文關(guān)于文件管理的思路具有獨創(chuàng)性與普適性，可以推廣到類似的文件管理項目中，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻：

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Design and characteristics analysis of shipborne radar stabilized platform based on lightweight

XUE Shan， MENG Xian-yu， ZHAO Yun-lai， JIA Bing， LYU Qiong-ying

TH12

A

1009-0134（2016）10-0133-05

2016-08-12

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20126017）；吉林省科技廳重點科技攻關(guān)項目（20160204015GX）

薛珊（1978 -），女，副教授，博士，研究方向為結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。