鄒吾松，解金華

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240；2. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司雷華電子技術(shù)研究所， 江蘇 無錫 214063)

某機(jī)載雷達(dá)掃描器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

鄒吾松1，2，解金華1，2

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240；2. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司雷華電子技術(shù)研究所， 江蘇 無錫 214063)

機(jī)載雷達(dá)掃描器是個(gè)典型的伺服系統(tǒng)，通常要求其結(jié)構(gòu)固有頻率高于伺服帶寬3～5倍。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，應(yīng)避免在機(jī)載環(huán)境要求的低頻段著重考核點(diǎn)發(fā)生諧振。掃描器外形是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的懸臂梁且零件種類和數(shù)量較多，提高其結(jié)構(gòu)固有頻率有一定的難度。文中主要從提高整體結(jié)構(gòu)剛度著手來提高掃描器的固有頻率，介紹了某機(jī)載雷達(dá)掃描器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程，從總體架構(gòu)、軸系設(shè)計(jì)、重要零件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了論述，利用Patran/Nastran軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，第1階響應(yīng)頻率與樣機(jī)的響應(yīng)測(cè)試結(jié)果較為接近。最終產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)中優(yōu)良的穩(wěn)定性和交付后良好的表現(xiàn)表明，該掃描器對(duì)同類掃描器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

雷達(dá)掃描器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模態(tài)分析

引 言

機(jī)載雷達(dá)掃描器是一個(gè)高精度的機(jī)電一體化裝置，是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)高精度跟蹤、制導(dǎo)的關(guān)鍵所在，它的主要功能是完成天線的掃描與定位以及微波功率和接收信號(hào)的傳輸?shù)萚1]。為保證雷達(dá)掃描器伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性,使穩(wěn)定裕度充足, 一般要求掃描器的結(jié)構(gòu)固有頻率高于伺服系統(tǒng)頻率帶寬的3～5倍[2]。機(jī)載環(huán)境試驗(yàn)對(duì)低頻段的考核要求較嚴(yán)格，特別是近幾年來，直升機(jī)類載機(jī)加裝了某類型雷達(dá)，其低頻段著重考核頻點(diǎn)更是對(duì)機(jī)載雷達(dá)掃描器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。提高機(jī)載雷達(dá)掃描器的固有頻率是解決上述2個(gè)問題的有效辦法。

文獻(xiàn)[3]～[5]分別從局部機(jī)構(gòu)的剛度計(jì)算，成品的性能評(píng)估、理論和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析等方面對(duì)機(jī)載雷達(dá)掃描器的固有頻率進(jìn)行了研究。本文將從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(包含總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、軸系設(shè)計(jì)、重要零件設(shè)計(jì)等)的角度，結(jié)合有限元軟件優(yōu)化技術(shù)，介紹了通過增強(qiáng)系統(tǒng)剛度但不增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有頻率的一個(gè)工程實(shí)例。

1 掃描器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械掃描器從結(jié)構(gòu)組成上通?？刹鸱譃楦┭鼋M件、方位組件、底座3大部分，天線直接與俯仰組件相連接，俯仰組件通過方位組件與掃描器底座組件相連[1]。下面將從總體架構(gòu)、軸系設(shè)計(jì)和底座設(shè)計(jì)3方面進(jìn)行論述。

1.1 總體架構(gòu)

該掃描器的方位組件旋轉(zhuǎn)軸心和俯仰組件旋轉(zhuǎn)軸心采取正交配置，采用大框架作為主要零件組成方位組件，設(shè)計(jì)薄壁空腔式底座等來提高掃描器的剛度。電機(jī)布局時(shí)，采取將細(xì)長(zhǎng)俯仰電機(jī)嵌入粗扁方位電機(jī)的方式形成緊湊化設(shè)計(jì)，通過使占旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量比重高的驅(qū)動(dòng)電機(jī)盡量靠近旋轉(zhuǎn)軸，使系統(tǒng)獲得更小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。右俯仰框架和右俯仰軸實(shí)行一體化設(shè)計(jì)，左俯仰框架和左俯仰軸通過螺釘連接，左右俯仰框架通過天線和配重塊連接成一封閉結(jié)構(gòu)，這樣整個(gè)俯仰組件就獲得了很好的剛度。

1.2 軸系設(shè)計(jì)

掃描器方位、俯仰軸系如圖1所示。上方位軸和下方位軸固定在底座上，底座上的安裝孔和方位框架上的軸承安裝孔保持上、下方位軸的位置度和“握持”剛度。俯仰框架和俯仰軸之間的同軸度要求由方位框架上的軸承安裝孔保證。采取“大方位框架+粗短軸”的架構(gòu)，大方位框架采用“籠”式+腹板結(jié)構(gòu)，在獲得較輕重量的同時(shí)提供了較高的結(jié)構(gòu)剛性，上下方位軸、俯仰框架、俯仰軸均采取短粗形式亦提高了這4個(gè)零件的結(jié)構(gòu)剛度。

圖1 掃描器軸系布置圖

1.3 底座設(shè)計(jì)

底座承載了掃描器所有零部件，且為一懸臂結(jié)構(gòu)。必須提高底座的剛度以保證掃描器的性能。由于機(jī)載環(huán)境的重量限制，底座采用“薄壁空腔”結(jié)構(gòu)(類似于將飛機(jī)的桁架和蒙皮融為一體的結(jié)構(gòu))。經(jīng)過不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，用Patran/Nastran來計(jì)算校核最優(yōu)狀態(tài)的受力情況和振型。

在環(huán)境試驗(yàn)要求的最大過載力作用下，底座變形如圖2所示。由于采用了“薄壁空腔”結(jié)構(gòu)，在不需增加太多材料(重量)的情況下，底座就獲得了很高的剛度，且底座體積與掃描器體積比值高，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)固有頻率的提高有著直接的影響。經(jīng)計(jì)算，底座的第1階、第2階固有頻率分別為481.5 Hz和840 Hz，1階振型如圖3所示。

圖2 掃描器底座法向受力變形圖

圖3 掃描器底座1階振型

2 模態(tài)分析

2.1 分析概述

在做動(dòng)力學(xué)分析前，一般先進(jìn)行模態(tài)振型及其對(duì)應(yīng)固有頻率的分析。模態(tài)分析結(jié)果是分析對(duì)象動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)的基本形式，從中可以看出分析對(duì)象在動(dòng)態(tài)載荷下是如何響應(yīng)的。掃描器在激振力作用下的運(yùn)動(dòng)方程可以簡(jiǎn)寫為：

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

模態(tài)疊加法的特點(diǎn)是預(yù)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(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為一組獨(dú)立的非耦合方程[6]。通過對(duì)上式解耦，得到位移響應(yīng)為不同矩陣的疊加公式。

2.2 有限元模型的建立

建立有限元模型需要真實(shí)地反映天線掃描器的結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)應(yīng)控制模型規(guī)模以保證計(jì)算效率。本文從以下幾個(gè)方面對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化：忽略底座所有鑄造圓角及直徑 ≤ 3 mm的通孔和螺紋孔；忽略其他零件半徑 ≤ 2 mm的圓角和直徑 ≤ 3 mm的通孔和螺紋孔；所有螺釘簡(jiǎn)化為RBE2單元連接，RBE2單元連接處用六面體網(wǎng)格建模；忽略所有彈墊、平墊。建立的整個(gè)天線掃描器的有限元網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為320 548，單元總數(shù)為165 031。底座材料為ZL101A，軸承材料為GCr15，其余零件材料為鋁合金6061。按材料手冊(cè)進(jìn)行彈性模量、泊松比、拉伸強(qiáng)度、密度等參數(shù)的賦值。邊界條件模擬實(shí)際工況，約束底座4個(gè)螺釘安裝孔的6個(gè)自由度。最后，通過Patran/Nastran軟件對(duì)模型檢查后進(jìn)行求解。

2.3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過多次的局部?jī)?yōu)化，得出了相對(duì)較優(yōu)的掃描器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用Patran/Nastran軟件對(duì)安裝天線的掃描器動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真，計(jì)算出了天線掃描器前10階的固有頻率及對(duì)應(yīng)頻率下文字描述的大概振型，見表1。圖4為天線掃描器的第1階模態(tài)振型圖。

表1 天線掃描器前10階固有頻率

圖4 天線掃描器第1階振型

3 產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證

按上述設(shè)計(jì)方案研制出掃描器，經(jīng)過檢測(cè)、實(shí)際使用以及試驗(yàn)試飛驗(yàn)證，產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，取得了良好的使用效果。如圖5所示，將加速度監(jiān)測(cè)傳感器置于底座最靠近天線的位置，成功監(jiān)測(cè)到了第1階底座彎曲振型，實(shí)測(cè)產(chǎn)品的第1階固有頻率為98.6 Hz，與仿真值115.1 Hz的誤差為14%，精度良好。其余前10階振型未出現(xiàn)在底座上，測(cè)試曲線也未出現(xiàn)明顯尖峰，雖然在413.9 Hz出現(xiàn)了帶寬較大的尖峰，但在此帶寬上，結(jié)構(gòu)件受到的損傷較小。天線掃描器有著較高的第1階固有頻率，在振動(dòng)試驗(yàn)中，對(duì)外加載荷的響應(yīng)較小，且掃描性能穩(wěn)定。

圖5 天線掃描器正弦掃頻響應(yīng)測(cè)試曲線

4 結(jié)束語

研制的掃描器樣機(jī)響應(yīng)測(cè)試以及在振動(dòng)試驗(yàn)中優(yōu)良的穩(wěn)定性和交付后良好的表現(xiàn)表明，在不增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的前提下，通過增強(qiáng)系統(tǒng)剛度來提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有頻率是行之有效的。在掃描器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)上，將主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成剛度和穩(wěn)定性都非常好的結(jié)構(gòu)，比如“大框架+粗短軸+大臂握持”的構(gòu)型；在主要零件上，采用“籠”式或薄壁空腔式構(gòu)型可以獲得優(yōu)異的結(jié)構(gòu)剛度。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[5]討論的都是機(jī)載掃描器的剛度，而沒有從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)異構(gòu)型融合的角度進(jìn)行表述。這正是本文區(qū)別于它們的地方。然而，當(dāng)天線的尺寸大到一定程度后，天線將成為整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度最薄弱的環(huán)節(jié)，此時(shí)可從增大系統(tǒng)阻尼系數(shù)的方向進(jìn)行研究，以最終達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。

[1] 唐治安，陳澤彪，孫曉剛. 鈦合金在雷達(dá)掃描器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[C]// 2007年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 昆明: 中國電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)，2007.

[2] 吳鳳高. 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[3] 洪長(zhǎng)滿. 機(jī)載雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度性能評(píng)估[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2011,33(6)：69-70.

[4] 段勇軍. 雷達(dá)天線座模態(tài)分析與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010,(2)：214-216.

[5] 顧吉豐. 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度分析[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2001,23(6)：69-70.

[6] 白崴，喻海良. 通用有限元分析ANSYS8.0基礎(chǔ)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

鄒吾松(1983-)，男，工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

解金華(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of an Airborne Radar Scanner

ZOU Wu-song1,2，XIE Jin-hua1,2

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China；2.AVICLeihuaElectronicTechnologyResearchInstitute,Wuxi214063,China)

The airborne radar scanner is a typical servo system. It is usually required that the inherent frequency of its structure should be 3-5 times higher than the servo bandwidth. Considering the structural stability, resonance should be avoided at emphasized test point in low frequency required by the airborne environment. The scanner is a spindly cantilever and has a large number of and various kinds of components, so it is difficult to increase its structure inherent frequency. The overall structural rigidity is improved to enhance the inherent frequency of the scanner in this paper. The design process of the airborne radar scanner structure is introduced including the overall architecture, bearing design, important component design, etc. The modal analysis with Patran/Nastran is carried out, too. The first order response frequency approximates to the response test result of the prototype. The excellent stability in vibration test and good performance in application of the products after delivery indicate that the design is successful, which can provide reference for the structure design of similar scanners.

radar scanner; structure design; model analysis

2014-04-04

TN820.3

A

1008-5300(2014)05-0057-04