李 為 王雪瑤

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽合肥 230008

基于A(yíng)NSYS軟件的雷達(dá)典型結(jié)構(gòu)建模分析

李 為 王雪瑤

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽合肥 230008

現(xiàn)代仿真技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力, 其中以有限元算法應(yīng)用最為廣泛。文中以某型雷達(dá)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo), 運(yùn)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行剛強(qiáng)度分析。通過(guò)建立剛性區(qū)域, 耦合主節(jié)點(diǎn)自由度來(lái)模擬運(yùn)動(dòng)關(guān)系的約束關(guān)系, 并考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性以簡(jiǎn)化計(jì)算模型, 得到整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)力位移分布,為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

有限元；剛強(qiáng)度; 耦合; ANSYS

一、引言

為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要, 提高自身生存能力, 縮短快速響應(yīng)時(shí)間, 雷達(dá)系統(tǒng)正向車(chē)載高機(jī)動(dòng), 自動(dòng)化的方向發(fā)展。相對(duì)于大型地面陣地雷達(dá), 車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)由于公路運(yùn)輸、車(chē)平臺(tái)設(shè)計(jì)等因素限制, 對(duì)結(jié)構(gòu)的緊湊性、輕量化提出了更高的要求。這就需要設(shè)計(jì)人員在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就要依據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性考慮系統(tǒng)減重問(wèn)題。

以往, 系統(tǒng)的校核工作主要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)完成。完成初步設(shè)計(jì)之后做出樣機(jī), 通過(guò)電測(cè)、光彈等試驗(yàn)手段, 得到結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律及關(guān)鍵受力部位的應(yīng)力數(shù)值, 并以此為依據(jù)完善設(shè)計(jì)。重要件還需要修改樣機(jī), 進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn), 直至得到滿(mǎn)意結(jié)果, 試驗(yàn)成本很高, 周期較長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展, 基于有限元的虛擬仿真計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域的工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于試驗(yàn)驗(yàn)證, 仿真技術(shù)具有周期短, 成本低,效率高等特點(diǎn), 可以獨(dú)立或配合試驗(yàn)完成結(jié)構(gòu)校核, 大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間, 提高了工作效率。

文章以 ANSYS為計(jì)算工具, 運(yùn)用 APDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化的模型處理及計(jì)算。APDL 是 ANSYS 的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言, 是一種類(lèi)似于 FORTRAN 的解釋型語(yǔ)言。利用 APDL 語(yǔ)言可以建立參數(shù)化模型并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)求解控制, 可以使用宏程序、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu), 并對(duì)矢量、矩陣進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算。同時(shí), 通過(guò) APDL 語(yǔ)言能夠?qū)崿F(xiàn) ANSYS中一些高級(jí)功能, 例如優(yōu)化及自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。利用APDL 語(yǔ)言編寫(xiě)的參數(shù)化建模、復(fù)雜載荷的參數(shù)化加載、求解控制及數(shù)據(jù)處理程序, 易于修改和保存, 同時(shí)可以在無(wú)人工干預(yù)的情況下連續(xù)求解若干模型及工況, 特別適用于模型設(shè)計(jì)校核需要多次修改重復(fù)分析的問(wèn)題。

二、基本理論與步驟

(一)將實(shí)體離散化, 取結(jié)點(diǎn)位移為基本未知量。

(二)選擇位移函數(shù), 用單元結(jié)點(diǎn)位移唯一地表示單元內(nèi)部任一點(diǎn)位移。

(三)通過(guò)位移函數(shù)、廣義虎克定律, 用結(jié)點(diǎn)位移唯一地表示單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力。

(四)利用能量原理, 找到與單元內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等效的結(jié)點(diǎn)力;再利用單元應(yīng)力與結(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系, 建立等效結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系。

(五)將單元所承受的載荷, 按靜力等效原則移置到結(jié)點(diǎn)上。

(六)建立結(jié)點(diǎn)位移的靜力平衡方程組, 求解得到結(jié)點(diǎn)位移, 然后求出每個(gè)單元的應(yīng)力。

三、計(jì)算

（一）幾何模型

該天線(xiàn)座有兩種受力狀態(tài)∶ 工作狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài),通過(guò)曲柄連桿的展開(kāi)或折疊來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。本文在 PRO /E 中建成天線(xiàn)座傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)體模型, 導(dǎo)入 ANSYS C lassic軟件。為減小模型規(guī)模, 沒(méi)有建立天線(xiàn)部分的實(shí)體模型, 通過(guò)在質(zhì)心處做質(zhì)量單元來(lái)模擬其重量載荷作用。

（二）有限元模型

天線(xiàn)座所受外載為天線(xiàn)重心處的天線(xiàn)重力和風(fēng)載荷, 為減小計(jì)算規(guī)模, 沒(méi)有對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行建模, 僅建立遠(yuǎn)程加載點(diǎn)來(lái)方便加載。同時(shí)簡(jiǎn)化外掛在天線(xiàn)座上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)減速機(jī)、匯流環(huán)、伺服主控箱及俯仰機(jī)構(gòu), 以剛化區(qū)域附質(zhì)量單元模擬重量。轉(zhuǎn)臺(tái)與底座間通過(guò)帶齒大軸承連接, 利用安裝在底座上的方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。為模擬實(shí)際約束狀態(tài), 軸承處在柱坐標(biāo)系中釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)模擬軸承轉(zhuǎn)動(dòng), 大軸承與電機(jī)末級(jí)小齒輪固定,并將末級(jí)小齒輪固定在底座上,與實(shí)際約束狀態(tài)相符。底座固定在車(chē)體上, 因此對(duì)根部螺栓孔施加固定約束。考慮到轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性, 為減小單元數(shù)量, 轉(zhuǎn)臺(tái)與底座分開(kāi)計(jì)算, 并將轉(zhuǎn)臺(tái)按對(duì)稱(chēng)模型取二分之一進(jìn)行計(jì)算, 對(duì)稱(chēng)面上所有節(jié)點(diǎn)處施加對(duì)稱(chēng)約束。

（三）結(jié)果分析

轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力 21M Pa, 位于轉(zhuǎn)臺(tái)安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)器處, 此處為剛性區(qū)域作用處; 其余部位應(yīng)力水平均低于 21 MPa; 轉(zhuǎn)臺(tái)最大位移 0. 4mm, 發(fā)生在轉(zhuǎn)臺(tái)安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)器處附近。底座最大應(yīng)力46 MPa, 位于底座與車(chē)架螺栓孔處,不予考慮; 其余部位應(yīng)力水平不高于20MPa。最大位移發(fā)生在底座與轉(zhuǎn)動(dòng)大軸承接觸面處, 為0. 035mm。運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力 21 M Pa, 位于轉(zhuǎn)臺(tái)安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)器處, 此處為剛性區(qū)域作用處; 其余部位應(yīng)力水平均低于 17 M Pa; 轉(zhuǎn)臺(tái)最大位移0. 5mm,發(fā)生在轉(zhuǎn)臺(tái)安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)器處附近。底座最大應(yīng)力 46 MPa, 位于底座與車(chē)架螺栓孔處,不予考慮; 其余部位應(yīng)力水平不高于20MPa。最大位移發(fā)生在底座與轉(zhuǎn)動(dòng)大軸承接觸面處, 為0. 035mm。經(jīng)計(jì)算, 陣面升起 20度時(shí)為曲柄連桿最大受力狀態(tài)。此時(shí)曲柄最大應(yīng)力為54MPa, 位于曲柄與俯仰電機(jī)軸的接觸面邊緣, 為擠壓所至。但此處靠近旋轉(zhuǎn)約束剛性區(qū)域, 限制了該處的受力變形, 所以應(yīng)力水平偏高。除此處外曲柄其他部位最大應(yīng)力 30 MPa, 連桿最大應(yīng)力6MPa。

四、結(jié)束語(yǔ)

從應(yīng)力云圖來(lái)看, 轉(zhuǎn)臺(tái)、底座及曲柄的應(yīng)力水平不高, 完全滿(mǎn)足強(qiáng)度要求, 有一定的減重空間。但底座軸承安裝面處有0. 035mm的變形量, 此處由于安裝軸承的需要, 有一定的剛度要求。因此, 減重的同時(shí)應(yīng)注意保證結(jié)構(gòu)的變形要求。根據(jù)大量工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn), 有限元法在計(jì)算結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和變形位移時(shí), 能得到精度很高的計(jì)算結(jié)果。因此, 從以上計(jì)算過(guò)程可以看出, 運(yùn)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算非常高效。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化修改與計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行, 大大縮短了產(chǎn)品的研制周期, 提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]李云貴,趙國(guó)藩．結(jié)構(gòu)可靠度的四階矩分析法[J]．大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1992年04期．

李為（1968．12-）山東人，技師，主要從事結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)研究。

王雪瑤（1987．9-）安徽碭山人，工程師，主要從事機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)分析。