基于ANSYS的某雷達天線CAE分析
引言
雷達主要由天線、發(fā)射機、接收機、信號處理機和終端設備等組成。雷達天線作為雷達系統(tǒng)的一個重要組成部分，它支撐著振子、電器等部件，而且雷達天線在工作時承受重力、風載、慣性載荷等，其性能的好壞直接影響著雷達系統(tǒng)的工作情況。
雷達天線作為輻射和接收雷達電磁波的主體，要求其在惡劣環(huán)境下也能保證安全工作并滿足天線精度指標要求;所以雷達天線要求剛度大、強度高且質量輕。過去通常采用傳統(tǒng)設計分析手段來完成雷達天線的設計，比如按規(guī)范設計、實驗方法和經(jīng)驗方法等設計方法，這樣設計出來的天線往往結構比較龐大而且可靠性較差。
近年來，計算機輔助技術發(fā)展及推廣應用，對提高雷達天線的設計水平起到一定的推動作用。應用ANSYS軟件對某雷達天線改進前后的結構進行對比分析，為雷達天線的改進設計提供了依據(jù)。
1 雷達天線的有限元分析
文中研究的雷達天線由主塔、橫臂、框架和斜拉桿等部分組成(見圖1)，塔體的底部4個支腳與轉盤相連，從而帶動整個天線轉動。同時，為了滿足雷達天線電性能的要求，還需在雷達天線側臂和框架的不同層面上安裝振子和功分器，以及在雷達天線的頂部安裝一個詢問機。
根據(jù)天線工作狀態(tài)不同和氣候情況，特針對以下三種典型工況進行有限元分析:1)風速v=35m/s時，天線轉速n=0；2)風速v=20 m/s，天線與地面夾角為0°(天線處于倒架狀態(tài)時，主塔沒有起到支撐作用)；3)風速v=25m/s，天線轉速n=6r/min。為了保證天線能正常工作，在上述三種工況下，天線受到的最大應力要小于材料的許用應力。
1.1 有限元模型的簡化
由于雷達天線是一個機電結合為一體的裝置，結構較復雜，為了更好地分析雷達天線各部分受力及位移情況，需對其有限元模型進行一些合理的簡化:
1. 把天線各塔和框架之間的焊接處簡化成節(jié)點連接，且假設各節(jié)點間的連接為剛性的;
2. 把每個振子和功分器分別簡化為等效集中質量作用在天線側臂和框架的腹桿上;
3. 把詢問機簡化為兩個等效集中質量作用在天線的頂部，將它可能受到的最大的風載荷分解為等效的力和力矩作用在天線的頂部;
4. 在分析天線倒架工況時，把升降系統(tǒng)的板和支座簡化為較大直徑的桿連接在主塔上。
1.2 定義單元類型、實常數(shù)及材料屬性
雷達天線所用的材料是16Mn，密度ρ=7833k/m，彈性模量E=206Gpa，泊松比u=0.3，許用應力[σ]=163MPa。由于雷達天線是三維桿件結構，選用三維彈性梁單元BEAM44能較好的反映天線的實際受力情況，然后根據(jù)天線所用的管材的材料和尺寸設置各桿件的幾何特性和材料屬性。對于集中質量選用質量單元MASS21。
1.3 載荷計算和邊界條件
1.3.1 載荷計算
從雷達天線的實際工況可知，風載、自重以及天線上安裝的振子等設備是其主要的載荷形式。文中將天線的風載簡化為分布在受力各桿上的階梯形均布力。
1.3.2 邊界條件
1)天線立起時的邊界條件。天線工作時底部4個支腳與基座轉盤由螺栓聯(lián)接，此時把底盤看成是剛性的，因此無論靜止還是旋轉過程中，都可認為支腳是固定的；
2)倒架時的邊界條件。天線在運輸過程中以及非常惡劣的氣候條件下需倒架放置，因此在天線的底部連接一升降裝置，以保證天線的平穩(wěn)起落。此時天線約束情況如圖2所示，1、2兩節(jié)點處未限制X方向轉動，以完成天線立起與倒架兩位置的轉換;絲桿與升降裝置連接處的節(jié)點3同樣也可繞X軸方向轉動，由絲桿的長短變化可以達到升降的目的。 #p#page_title#e#
1.4 結果分析
表1給出了改進前天線分別在三種工況下的最大拉應力、最大壓應力以及最大位移。
根據(jù)有限元分析可以發(fā)現(xiàn)上述三種工況下所受的最大拉應力一般都出現(xiàn)在框架與二塔連接處迎風面上、一塔二塔的連接處迎風面上以及一塔二塔上的一部分桿件的迎風面上；所受的最大壓應力一般都出現(xiàn)在一塔的根部、框架一與二塔連接處背風面七以及一塔二塔上的一部分桿件的背風面上；最大位移一般都出現(xiàn)在橫臂的左右兩外側上。
由表1可知，在工況二時，天線受到的最大應力要大于16Mn的許用應力，故需對該結構進行優(yōu)化改進。
2 改進后雷達天線的有限元分析
雷達天線是一種鋼架結構，鋼架結構優(yōu)化方法可分為三個方面：一是優(yōu)化各桿件的截面尺寸，稱為尺寸優(yōu)化;二是優(yōu)化結構桿件的幾何位置，稱為幾何優(yōu)化；三是優(yōu)化桿件的數(shù)量及其連接關系，稱為拓撲優(yōu)化。本雷達天線的結構改進主要采用幾何優(yōu)化的方法。
根據(jù)雷達天線的設計要求以及改進前應力分布情況，對雷達天線的結構作了適當?shù)恼{整改進，改進后的結構如圖3所示。改進前后雷達天線的尺寸及質量比較見表2。
由表2可以發(fā)現(xiàn)，改進后的雷達天線與改進前相比結構簡單、幾何尺寸小、重心位置低、重量輕，穩(wěn)定性好且節(jié)省材料。
為了更好的分析改進后雷達天線結構應力及位移情況，針對上述三種工況對改進后的雷達天線進行有限元分析，分析結果見表3。
比較表3和表1可以發(fā)現(xiàn)，改進后天線結構在各工況下的應力狀況都得到了改善，最大位移在允許范圍內。根據(jù)有限元分析可知，改進后雷達天線在上述三種工況下的最大拉應力、最大壓應力及最大位移發(fā)生的位置與改進前基本相似。
3 結束語
(1)通過對改進前后的雷達天線分析比較可知改進后的雷達天線在各種工況下的應力情況都得到很大的改善，而且都小于所選材料(16Mn)的許用應力，所以改進后的雷達天線結構是合理的且優(yōu)于改進前的結構。
(2)利用有限元方法對雷達天線結構進行結構優(yōu)化，可以降低設計成本，縮短設計周期。
