搜索基于ANSYS的某雷達(dá)天線CAE分析0 引言
2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: 黃天成*周思柱*袁新梅 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: CAE ANSYS 雷達(dá)天線 有限元分析
本文充分考慮了雷達(dá)天線安裝、使用中的實(shí)際情況,兼顧桿件受力、變形情況和總體尺寸、重量等因素,建立了雷達(dá)天線的有限元模型,并采用有限元方法,對改進(jìn)前后的雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移進(jìn)行了分析計(jì)算,為雷達(dá)天線的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
0 引言
雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理機(jī)和終端設(shè)備等組成。雷達(dá)天線作為雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,它支撐著振子、電器等部件,而且雷達(dá)天線在工作時(shí)承受重力、風(fēng)載、慣性載荷等,其性能的好壞直接影響著雷達(dá)系統(tǒng)的工作情況。
雷達(dá)天線作為輻射和接收雷達(dá)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(biāo)要求;所以雷達(dá)天線要求剛度大、強(qiáng)度高且質(zhì)量輕。過去通常采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)分析手段來完成雷達(dá)天線的設(shè)計(jì),比如按規(guī)范設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)方法等設(shè)計(jì)方法,這樣設(shè)計(jì)出來的天線往往結(jié)構(gòu)比較龐大而且可靠性較差。
近年來,計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)發(fā)展及推廣應(yīng)用,對提高雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)水平起到一定的推動作用。應(yīng)用ANSYS軟件對某雷達(dá)天線改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析,為雷達(dá)天線的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
1 雷達(dá)天線的有限元分析
文中研究的雷達(dá)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(gè)支腳與轉(zhuǎn)盤相連,從而帶動整個(gè)天線轉(zhuǎn)動。同時(shí),為了滿足雷達(dá)天線電性能的要求,還需在雷達(dá)天線側(cè)臂和框架的不同層面上安裝振子和功分器,以及在雷達(dá)天線的頂部安裝一個(gè)詢問機(jī)。
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(jìn)行有限元分析:1)風(fēng)速v=35m/s時(shí),天線轉(zhuǎn)速n=0;2)風(fēng)速v=20 m/s,天線與地面夾角為0°(天線處于倒架狀態(tài)時(shí),主塔沒有起到支撐作用);3)風(fēng)速v=25m/s,天線轉(zhuǎn)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(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力。
1.1 有限元模型的簡化
由于雷達(dá)天線是一個(gè)機(jī)電結(jié)合為一體的裝置,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,為了更好地分析雷達(dá)天線各部分受力及位移情況,需對其有限元模型進(jìn)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(diǎn)連接,且假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間的連接為剛性的;
2. 把每個(gè)振子和功分器分別簡化為等效集中質(zhì)量作用在天線側(cè)臂和框架的腹桿上;
3. 把詢問機(jī)簡化為兩個(gè)等效集中質(zhì)量作用在天線的頂部,將它可能受到的最大的風(fēng)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(shí),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(shí)常數(shù)及材料屬性
雷達(dá)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(yīng)力[σ]=163MPa。由于雷達(dá)天線是三維桿件結(jié)構(gòu),選用三維彈性梁單元BEAM44能較好的反映天線的實(shí)際受力情況,然后根據(jù)天線所用的管材的材料和尺寸設(shè)置各桿件的幾何特性和材料屬性。對于集中質(zhì)量選用質(zhì)量單元MASS21。
1.3 載荷計(jì)算和邊界條件
1.3.1 載荷計(jì)算
從雷達(dá)天線的實(shí)際工況可知,風(fēng)載、自重以及天線上安裝的振子等設(shè)備是其主要的載荷形式。文中將天線的風(fēng)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(shí)的邊界條件。天線工作時(shí)底部4個(gè)支腳與基座轉(zhuǎn)盤由螺栓聯(lián)接,此時(shí)把底盤看成是剛性的,因此無論靜止還是旋轉(zhuǎn)過程中,都可認(rèn)為支腳是固定的;
2)倒架時(shí)的邊界條件。天線在運(yùn)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(shí)天線約束情況如圖2所示,1、2兩節(jié)點(diǎn)處未限制X方向轉(zhuǎn)動,以完成天線立起與倒架兩位置的轉(zhuǎn)換;絲桿與升降裝置連接處的節(jié)點(diǎn)3同樣也可繞X軸方向轉(zhuǎn)動,由絲桿的長短變化可以達(dá)到升降的目的。
1.4 結(jié)果分析
表1給出了改進(jìn)前天線分別在三種工況下的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)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(yīng)力一般都出現(xiàn)在框架與二塔連接處迎風(fēng)面上、一塔二塔的連接處迎風(fēng)面上以及一塔二塔上的一部分桿件的迎風(fēng)面上;所受的最大壓應(yīng)力一般都出現(xiàn)在一塔的根部、框架一與二塔連接處背風(fēng)面七以及一塔二塔上的一部分桿件的背風(fēng)面上;最大位移一般都出現(xiàn)在橫臂的左右兩外側(cè)上。
由表1可知,在工況二時(shí),天線受到的最大應(yīng)力要大于16Mn的許用應(yīng)力,故需對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
2 改進(jìn)后雷達(dá)天線的有限元分析
雷達(dá)天線是一種鋼架結(jié)構(gòu),鋼架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可分為三個(gè)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(jié)構(gòu)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(guān)系,稱為拓?fù)鋬?yōu)化。本雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要采用幾何優(yōu)化的方法。
根據(jù)雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)要求以及改進(jìn)前應(yīng)力分布情況,對雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整改進(jìn),改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。改進(jìn)前后雷達(dá)天線的尺寸及質(zhì)量比較見表2。
由表2可以發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后的雷達(dá)天線與改進(jìn)前相比結(jié)構(gòu)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(jìn)后雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移情況,針對上述三種工況對改進(jìn)后的雷達(dá)天線進(jìn)行有限元分析,分析結(jié)果見表3。
比較表3和表1可以發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后天線結(jié)構(gòu)在各工況下的應(yīng)力狀況都得到了改善,最大位移在允許范圍內(nèi)。根據(jù)有限元分析可知,改進(jìn)后雷達(dá)天線在上述三種工況下的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力及最大位移發(fā)生的位置與改進(jìn)前基本相似。
3 結(jié)束語
(1)通過對改進(jìn)前后的雷達(dá)天線分析比較可知改進(jìn)后的雷達(dá)天線在各種工況下的應(yīng)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(yīng)力,所以改進(jìn)后的雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)是合理的且優(yōu)于改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)。
(2)利用有限元方法對雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可以降低設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期。
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