高機動雷達載車平臺結構強度分析與優化*

侯守武，王志海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

高機動雷達載車平臺結構強度分析與優化*

侯守武，王志海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中采用邊界位移補償法優化某高機動雷達載車平臺多撐腿結構強度。通過調整撐腿的邊界位移，分析不同載荷工況下影響載車平臺強度的因素，優化載車平臺撐腿調平方案，提高結構強度性能。仿真結果表明，優化方案顯著提高載車平臺的強度性能，滿足雷達載車平臺風載荷環境下的強度要求。

高機動雷達；載車平臺；強度優化；邊界位移補償法

引 言

高機動車載雷達由于具有良好的機動性能，被廣泛應用于軍事領域對飛行目標的探測。隨著雷達天線跨度和高度的增加，高機動雷達在惡劣的工作環境中承受風載荷越來越大，風載荷不僅對天線陣面精度產生較大的影響，而且對雷達載車的強度也提出更高要求。

許多學者研究了多種機動雷達載車平臺的結構優化方法來增強載車平臺的結構強度。文獻[1]利用有限元法分析了雷達載車風載環境下的應力，采用加筋和局部板加厚的方法降低了載車平臺的結構應力文獻[2]基于ANSYS軟件建立某雷達載車平臺有限元模型，對不同工況進行靜力學分析，確定了載車平臺結構強度優化方案；文獻[3]對雷達車車架撐腿進行了拓撲優化設計，保證剛強度的條件下進行了輕量化研究。通過增強結構的強度薄弱區域，可有效降低結構的局部應力。本文針對某型高機動雷達載車平臺多撐腿結構，優化撐腿調平方案，改變撐腿承力方式，在不改變載車平臺結構形式的前提下提高載車的強度。

針對多撐腿雷達載車邊界條件難以模擬分析的情況，本文提出邊界位移補償法，模擬自重初始狀態撐腿調平的位移量，分析不同風載工況下影響載車平臺強度的主要因素，優化載車撐腿調平策略，數值仿真結果表明，優化后的載車平臺結構強度有明顯提升，抗風性能亦有大幅提高。

1 機動雷達載車結構模型

本文分析的高機動雷達主要包括載車平臺、轉臺、天線、背架、背撐等部件，鑒于本文主要關注的是載車平臺的強度，在建模時只對載車平臺進行精細化建模，而轉臺、天線、背架、背撐等上裝部件則簡化為集中質量，通過剛性單元與載車平臺連接?？紤]風載荷對載車平臺的影響，在風力中心建立節點，采用剛性單元連接載車平臺。撐腿采用體單元模擬，腔體、肋板等用殼單元模擬，載車平臺上的機械和電子設備采用集中質

量模擬。整個有限元模型包含了19674 個體單元、112 592 個殼單元和2 674 個質量單元，共133 122 個節點。

圖1給出了載車平臺和上裝的簡化模型。為便于描述，將撐腿進行了編號，其中撐腿1～4為主撐腿，5～14為輔助撐腿。

圖1 載車平臺結構有限元模型

2 載車平臺結構強度影響因素分析

2.1 載車平臺自重工況分析

載車平臺自重工況為天線位于工作位置時的初始狀態，此時僅主撐腿1、2、3、4起支撐作用，輔助撐腿初始接地，其在重力作用下的變形如圖2所示。

圖2 自重工況載車平臺結構變形

撐腿編號位移/mm1，203，405，6-16．87，84．09，10-18．311，12-15．113，14-0．5

由表1中的計算結果可知，自重工況下，輔助撐腿5、6、9、10、11、12、13、14豎直方向位移為負，表明相對于初始模型，以上撐腿發生下移，而撐腿7和8上抬。為模擬自重工況載車平臺的姿態及撐腿的結構和姿態，傳統做法是在撐腿上增刪單元或調整單元節點位置[4]。但該方法在分析撐腿邊界位移對結構強度影響時需不斷更改單元模型，從而使計算成本增加。本文利用邊界位移補償法能夠簡化分析過程，即根據載車平臺在初始工況下的撐腿位移確定風載環境的邊界條件，以補償邊界位移保證載車平臺的姿態，通過重新定義邊界條件避免了模型修改的過程。

2.2 不同風載工況下載車平臺強度分析

通過計算不同風向作用時載車平臺的強度，找出結構應力薄弱區域，分析影響應力的關鍵因素，為優化設計提供依據和參考。本文分析恒定風載為12 噸，風向分別為0 °、90°、180°典型工況下的載車平臺結構強度。

圖3～圖5分別給出了風向為0°、90°、180°時載車平臺的變形分布和應力較大區域的應力分布。由圖可知，風載沿0°方向時，轉盤前側的主承重梁向下彎曲，主撐腿3和4 根部的應力較大，最大應力560 MPa；風載沿90°方向時，中間輔助撐腿彎曲變形較大，輔助撐腿9和10根部的上下表面應力較大，最大應力479 MPa；風載沿180°方向時，轉盤后側的主承重梁向下彎曲，輔助撐腿7和8 根部及主承力梁彎曲過渡處應力較大，最大應力529 MPa。

圖3 風載沿0°方向時載車平臺的變形和局部應力分布圖

圖4 風載沿90°方向時載車平臺的變形和局部應力分布圖

圖5 風載沿180°方向時載車平臺的變形和局部應力分布圖

2.3 支撐腿邊界對結構應力的影響分析

根據載車平臺在不同工況下的變形和應力分布特點，調整靠近載車平臺變形的輔助撐腿邊界位移，分析輔助撐腿邊界位移的變化對結構應力的影響。

根據上一節的計算結果可知，0°方向風載時，轉盤前側的主承重梁向下彎曲，主撐腿3和4根部的應力較大，對結構變形應力影響較大的是撐腿3、4、5，6，13和14； 90°方向風載時，中間輔助撐腿的變形和應力較大，對變形和應力影響較大的是腿5、6、9和10； 180°方向風載時，轉盤后側的主承重梁向下彎曲，輔助撐腿7和8根部及主承力梁彎曲過渡處應力較大，對結構變形和應力影響較大的是腿3、4、5、6、7、8、9和10。由于主撐腿兼具調平作用，在對撐腿影響因素分析時，僅考慮輔助撐腿邊界位移變化對載車平臺應力的影響。表2給出了不同方案下載車平臺結構的最大應力。

表2 不同方案各工況下撐腿邊界變化時載車平臺結構應力

由表2的計算結果可知，0°風載時，對最大應力影響較大的是輔助撐腿13和14，180°風載時，對應力影響較大的是輔助撐腿5和6；輔助撐腿5和6邊界位移上移，可有效降低180°風載時的最大應力，但同時會增大0°和90°風載時的最大應力。

3 載車結構強度優化

通過分析輔助撐腿邊界位移的變化對風載環境下載車平臺強度的影響，確定采用的輔助撐腿邊界方案為：撐腿5和6邊界位移上移6 mm，撐腿9和10邊界位移上移10 mm，撐腿13和14上移2 mm。

以優化后的位移作為風載工況下的邊界條件，不同風載下的計算結果見圖6～圖8。根據計算結果可知，風載沿0°方向時，最大應力401 MPa，位于與主撐腿3和4相連的主梁側板；風載沿90°方向時，最大應力452 MPa，位于輔助撐腿9根部的上下表面；風載沿180°方向時，最大應力463 MPa，較大的應力分布于輔助撐腿7和8根部及主承力梁彎曲過渡處。

圖6 風載沿0°方向時載車平臺的變形和局部應力分布圖

圖7 風載沿90°方向時載車平臺的變形和局部應力分布圖

圖8 風載沿180°方向時載車平臺的變形和局部應力分布圖

對比載車平臺在優化前后邊界位移下的變形和應力分布圖可知，相同風載工況下，載車平臺的變形和應力較大的區域分布位置相似，最大變形和應力均有不同程度的降低，0°風載時最大應力降低了28.4%，90°風載時最大應力降低了5.6%，180°風載時最大應力降低了12.5%。載車平臺的最大應力為463 MPa，對于高強鋼Domex700，可以實現1.5的安全系數。

4 結束語

本文提出邊界位移補償法，以高機動雷達載車自重時的撐腿變形作為風載工況下的邊界位移，分析了不同風載工況下載車撐腿位移變化對載車平臺強度的影響，確定了一套載車輔助撐腿的調平方案，通過對比優化前后的變形和應力，得到以下結論：

1)采用優化的調平方案，相同風載工況下的應力和變形均有不同程度的下降，最大應力至少降低了5.6%；

2)優化的調平方案顯著降低了載車平臺的變形和應力大小，但不影響載車平臺的變形和應力分布區域，結構強度薄弱環節優化設計同樣適用于本文優化的調平方案。

[1] 侯健. 有限元建模技術研究及雷達車天線結構有限元分析[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2010.

[2] 張迎濱. 基于ANSYS 的雷達車載平臺結構優化與試驗[C] // 2011年機械電子學學術會議論文集, 2011: 117-119.

[3] 佘高翔. 基于拓撲優化和高強鋼應用的雷達車車架輕量化設計研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2010.

[4] 李釗, 王志海. 大型車載雷達抗風穩定性研究[J]. 電子機械工程, 2015, 31(3): 11-15.

侯守武(1980-)，男，工程師，主要從事雷達結構力學仿真與試驗工作。

The Strength Analysis and Optimization of the High Mobility Radar Vehicle

HOU Shou-wu，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In this paper, the boundary displacement compensation method is used to optimize the multi-support-leg of a high mobility radar vehicle platform. By modifying the boundary displacements of the supporting legs, main factors affecting the strength of vehicle platform are analyzed under different load conditions , leveling scheme of support-leg is optimized to improve the structure strength. Numerical results show that the optimized scheme is an effective method for enhancing the strength of vehicle platform. The vehicle platform with optimized leveling scheme can meet the strength requirements in wind load environment.

high mobility radar; vehicle platform; strength optimum; boundary displacement compensation method

2016-03-22

TH123+.3

A

1008-5300(2016)03-0060-04