于坤鵬，楊傳忠，王志海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所國家級工業(yè)設(shè)計中心， 安徽 合肥 230088)

某雷達機柜結(jié)構(gòu)剛強度有限元分析*

于坤鵬，楊傳忠，王志海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所國家級工業(yè)設(shè)計中心， 安徽 合肥 230088)

雷達機柜裝在設(shè)備平臺艙內(nèi)，會受到過載、沖擊、隨機振動等環(huán)境條件的影響，需要考慮結(jié)構(gòu)的剛強度是否滿足要求。文中針對某雷達機柜結(jié)構(gòu)，采用大型有限元仿真軟件ABAQUS，對機柜結(jié)構(gòu)在過載、沖擊、隨機振動等環(huán)境條件下的剛強度進行了仿真分析，并對結(jié)構(gòu)中剛強度較弱的部位進行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，改進后的結(jié)構(gòu)剛強度滿足設(shè)計要求。

雷達機柜；剛強度；有限元法；振動環(huán)境

引 言

雷達機柜用于放置雷達電子模塊，包括DSP、DBF等核心電子組件，是雷達的大腦所在，對于確保雷達正常工作、性能安全有著重要意義[1-2]。同時，機柜安裝在設(shè)備平臺上，在運輸、行進及工作中會隨平臺受到過載、沖擊等振動環(huán)境的影響，機柜結(jié)構(gòu)的設(shè)計既要保證滿足組件安裝精度的需要，又要保證在承受相關(guān)振動沖擊時強度滿足要求[3-5]。因此對機柜結(jié)構(gòu)進行剛強度校核十分必要。有限元方法的出現(xiàn)為復雜結(jié)構(gòu)的力學性能分析提供了便捷的途徑，對于提高產(chǎn)品研發(fā)效率、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的早期定型改進都具有重要作用。本文采用大型有限元仿真分析軟件ABAQUS對某雷達機柜結(jié)構(gòu)進行剛強度校核，分析了結(jié)構(gòu)在承受過載、沖擊、隨機振動等載荷時的剛強度性能，為機柜設(shè)計定型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

1 雷達機柜有限元模型

某雷達機柜結(jié)構(gòu)主要由上頂蓋、下底座、支撐立柱和側(cè)板組成，立柱與上下部分采用環(huán)氧樹脂膠接，側(cè)后板由幾塊鋁型材拼裝后通過上下端板用螺釘連接成一個整體，并在四周槽內(nèi)鑲嵌減震或屏蔽用橡膠密封條或屏蔽密封條，側(cè)后板通過底部定位銷和頂部及兩側(cè)螺釘與機柜固定形成一個整體，如圖1(a)所示。機柜下底座通過4個螺釘與設(shè)備平臺固定。

依據(jù)上述結(jié)構(gòu)建立機柜有限元分析模型，如圖1(b)所示。該機柜結(jié)構(gòu)主要由金屬模壓鑄件、板材和型材構(gòu)成，因此模型主體采用殼單元建模。為保證建模精度，底座安裝位置采用實體單元建模。內(nèi)部設(shè)置5層托架，采用剛性單元模擬，剛性單元中心節(jié)點疊加質(zhì)量單元以模擬托架質(zhì)量。

圖1 某雷達機柜結(jié)構(gòu)圖

整個結(jié)構(gòu)材料為2A12鋁合金，材料參數(shù)如下：密度2 700 kg/m3，彈性模量70 GPa，泊松比0.33。該模型坐標系定義如下：垂直于機柜安裝面為Z向，機柜開口方向為Y向，按照右手螺旋定則確定X向。模型包含343 941個單元，362 828個節(jié)點。

2 靜力學過載分析

2.1 過載載荷條件

當結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或強度不足時，加速度載荷的存在會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形甚至破壞，從而影響產(chǎn)品的使用性能和安全性能。對于機柜結(jié)構(gòu)，作為電子設(shè)備的平臺，其變形或破壞會導致電子設(shè)備穩(wěn)定性降低，甚至出現(xiàn)跌落等嚴重問題，因此對機柜開展靜態(tài)過載分析十分必要。機柜在運輸過程中會受到加速度過載，具體載荷為：Z向2.8g，X、Y向2g。

2.2 過載計算結(jié)果分析

依據(jù)2.1中的載荷條件計算結(jié)構(gòu)在3向過載作用下的應(yīng)力和位移，結(jié)果見圖2～圖4。由圖可見，機柜在X向2g過載下應(yīng)力和變形最大，最大應(yīng)力為105.9 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)板與底座連接的轉(zhuǎn)接板附近；最大位移為2.598 mm，變形較大的區(qū)域為側(cè)板結(jié)構(gòu)。由于側(cè)板不起承力作用，其變形不作指標要求。去除側(cè)板后，結(jié)構(gòu)整體位移為1.056 mm，滿足剛度要求。由圖3可見，機柜在承受Y向過載時，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為84.2 MPa，最大位移為2.912 mm。由圖4可見，機柜的Z向剛強度較好，最大應(yīng)力為25.6 MPa，最大位移為0.177 mm，應(yīng)力和變形均較小，說明機柜對Z向載荷環(huán)境具有較好的承受能力。

圖2 X向過載下應(yīng)力與位移云圖

圖3 Y向過載下應(yīng)力與位移云圖

圖4 Z向過載下應(yīng)力與位移云圖

3 動力學響應(yīng)分析

靜力學過載分析可以保證結(jié)構(gòu)在承受穩(wěn)態(tài)載荷時不出現(xiàn)損傷或破壞，但來自運輸、工作時的沖擊、隨機振動等動力學載荷對結(jié)構(gòu)力學性能影響更大，因此有必要對機柜的動力學特性開展分析。本文基于模態(tài)動力學方法開展機柜結(jié)構(gòu)的動力學響應(yīng)分析。

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是采用模態(tài)動力學方法分析機構(gòu)動力學響應(yīng)的基礎(chǔ)，其目的是獲取各向動力學響應(yīng)的有效頻率和模態(tài)振型。因此對機柜進行模態(tài)分析，機柜結(jié)構(gòu)模態(tài)振型如圖5所示。從圖中可以看出，機柜1階模態(tài)頻率為24.8 Hz，2階模態(tài)為29.3 Hz，振型主要由3面?zhèn)劝宓恼駝右稹?面?zhèn)劝寰捎? mm厚的鋁板制成，強度偏弱，在承受相應(yīng)頻率振動載荷時易出現(xiàn)共振現(xiàn)象。前3階模態(tài)均為局部模態(tài)。機柜整體結(jié)構(gòu)的1階振型在第5階時出現(xiàn)，頻率為34.4 Hz，為機柜的左右擺動陣型。

圖5 機柜結(jié)構(gòu)模態(tài)振型圖

3.2 沖擊載荷分析

機柜在安裝、運輸?shù)冗^程中會受到?jīng)_擊載荷的影響。采用模態(tài)動力學方法分析機柜在承受沖擊載荷時的強度。沖擊采用半正弦方式，時間為11 ms，峰值加速度為7.5g。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 沖擊載荷作用下應(yīng)力云圖

由圖可見，在X向沖擊下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為451.1 MPa，出現(xiàn)在側(cè)板底部與下底座連接的橫梁螺釘孔附近(柜門對面)。Y向沖擊下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為286.5 MPa，出現(xiàn)位置與X向相同。而在Z向沖擊下，最大應(yīng)力為26.7 MPa?？梢?，該機柜在Z向具有很好的強度，但X和Y向較差。

由于側(cè)板較薄，在沖擊載荷下，沖擊響應(yīng)較大，使得與之連接的螺釘孔受到較大應(yīng)力，容易引起螺釘孔的變形甚至產(chǎn)生裂紋。因此需要對此處結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。

原結(jié)構(gòu)側(cè)板底部與下底座采用2個螺釘連接，易造成應(yīng)力集中，在此基礎(chǔ)上，增加2個螺釘孔，進一步計算結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)，結(jié)果如圖7所示。可以看出，在消除應(yīng)力集中后，最大應(yīng)力出現(xiàn)在機柜底部的安裝孔附近，X向沖擊下最大應(yīng)力為137.2 MPa，Y向沖擊下最大應(yīng)力為122.1 MPa，滿足強度要求。

圖7 改進后的沖擊載荷作用下應(yīng)力云圖

3.3 隨機振動分析

機柜在隨平臺行進中會受到隨機振動載荷，需要進行隨機載荷分析。針對改進模型，進一步進行隨機振動分析，考慮到機柜的Z向剛強度很好，此處僅計算X和Y方向。隨機振動譜如表1所示，該隨機振動譜包含定頻振動和寬頻振動成分。

表1 機柜隨機振動條件

機柜在隨機振動載荷下的應(yīng)力和位移分布如圖8所示。從圖中可以看出，機柜在承受X向隨機振動時，最大3σ等效應(yīng)力為111.3 MPa，在承受Y向隨機振動時最大3σ等效應(yīng)力為134.1 MPa，按照2A12鋁合金材料的屈服強度275 MPa，安全系數(shù)1.5校核，機柜在X、Y方向的強度滿足設(shè)計要求。

圖8 隨機振動載荷下應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本文研究了某雷達機柜在過載、沖擊、隨機振動等載荷作用下的結(jié)構(gòu)剛強度響應(yīng)。通過對機柜結(jié)構(gòu)進行有限元仿真，運用靜力學和模態(tài)動力學方法計算了機柜結(jié)構(gòu)在各種工況下的應(yīng)力云圖，并對結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位進行了改進設(shè)計。計算結(jié)果表明，改進后的結(jié)構(gòu)滿足剛強度設(shè)計要求。該有限元仿真分析對于縮短產(chǎn)品研制周期、降低成本、減少返工等方面具有重要意義。

[1] 劉永, 徐曉. 艦載電子設(shè)備循環(huán)風冷式密閉機柜[J]. 雷達與對抗, 2008(4): 53-55.

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于坤鵬(1987-)，男，博士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)力學性能有限元仿真和試驗測試、結(jié)構(gòu)減振降噪、輕量化設(shè)計工作。

Finite Element Analysis for Stiffness and Strength of a Radar Cabinet Structure

YU Kun-peng，YANG Chuan-zhong，WANG Zhi-hai

(National-levelIndustrialDesignCenterofthe38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Radar cabinet installed in the equipment platform bay will be subjected to the environmental conditions such as overload, impact and random vibration. It is necessary to consider whether the structural stiffness and strength meets the requirements. In this paper, the large-scale finite element simulation software ABAQUS is used to analyze the stiffness and strength of the cabinet structure under overload, impact and random vibration, and optimization design is conducted for the weak part of the structure. Results show that the cabinet with improved structure satisfies the design requirement.

radar cabinet; stiffness and strength; finite element method; vibration environment

2016-11-21

TN957.8+3

A

1008-5300(2017)02-0027-04