朱志遠, 張增太

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著現代雷達技術的快速發(fā)展，相控陣雷達已成為當今各國雷達技術發(fā)展的趨勢。為滿足空間目標探測、跟蹤的需求，相控陣雷達朝著多設備、大口徑、重載荷、高精度等特點發(fā)展。天線骨架作為相控陣雷達結構支撐、精度保證和設備安裝基礎，必須具有足夠的剛度、強度和拼接精度的要求。本文針對大型相控陣雷達的上述特點，綜合天線陣面布局情況，對某相控陣雷達天線骨架設計作詳細闡述。

1 結構設計要求

某大型固定相控陣雷達口徑面積上百平方米，共安裝近2萬個天線單元和大量電子設備。天線骨架中部左右兩端通過圓形法蘭固定于大承載精密傳動機構上，其主要功能在于保證天線陣面設備的安裝及精度要求，并提供足夠的剛強度支撐，保證電子設備的全維護。天線骨架結構設計需滿足以下要求：

1) 天線骨架陣面安裝位置精度誤差三個方向≤0.6 mm(RMS)；

2) 天線陣面法向最大動態(tài)變形≤6 mm；

3) 符合公路運輸和異地安裝要求。

根據天線單元的分布情況和總體設計要求，天線骨架最大外形尺寸為12 m(長)×11.07 m(高)×1.6 m(寬)，如圖1所示。

圖1 天線骨架外形尺寸

2 天線骨架結構設計2.1 天線骨架結構分塊設計

根據天線單元的分布形式、骨架的機械加工和內部設備維修空間等因素，同時為了滿足天線骨架的公路運輸條件，使每個骨架運輸單元符合GJB2948-97《運載裝載尺寸與重量限制》，采用13 m半掛車運輸，分塊后的每片骨架截面尺寸不應大于2.5 m×2.6 m，重量小于34 t。綜合以上因素，如圖2所示，將天線骨架分為5塊子骨架：邊骨架、次邊骨架、中骨架、次邊骨架和邊骨架，每塊子骨架結構尺寸及質量如表1所示，滿足公路運輸要求。中骨架為主要承力骨架，通過兩端的圓形法蘭與傳動機構相連，上下與各邊骨架連接。

表1 天線骨架運輸單元

圖2 天線骨架分塊示意圖

2.2 天線骨架精度分析

對于大口徑、高頻段的有源相控陣雷達天線，天線陣面精度要求越來越高，并且隨著雷達頻段逐漸變高，對結構精度要求更高。天線結構精度主要包括兩個方面：面精度和單元位置精度。根據該天線骨架的結構特點，影響天線結構精度的因素取決于以下幾個部分：

1) 天線骨架自身剛度；

2) 子骨架陣子安裝面及拼裝面加工精度；

3) 5塊子骨架相互拼裝精度。

通過加工制造和裝配進行精度控制，達到滿足誤差分析指標要求。子骨架最大外形尺寸為12 m×2.214 m×1.6 m，為防止由于加工溫度的變化造成材料的熱脹冷縮，進而降低結構的加工精度。設計中要求骨架全程在恒溫車間采用高速龍門銑完成加工，長度方向最大加工誤差≤0.25 mm。傳統(tǒng)的大型結構件加工，往往不考慮結構自重因素的影響，直接將結構件通過工裝壓實在機床上，與實際邊界條件不相符。實際加工時，各子骨架在機床上的裝夾位置與拼裝位置保持一致，最大程度地消除骨架自重變形對結構面精度的影響，能夠使單片子骨架拼裝后的平面精度≤0.3 mm。子骨架的拼裝是天線骨架能否達到精度要求的關鍵。由于骨架尺寸大，每片骨架拼裝時采用過定位的方式進行定位設計，即在拼裝面兩側和中間前后面各采用2個高精度的定位銷進行定位，各子骨架間拼裝精度小于≤0.2 mm。

以上3種誤差對陣面面精度的影響可以認為是相互獨立的，因此可以用以下公式對陣面面精度誤差作近似計算：

(1)

由以上分析得知，極限情況下天線陣面精度最大值為0.44 mm，滿足陣面精度小于0.6 mm的設計要求。

2.3 子骨架結構設計

天線骨架共分為5塊子骨架，每塊子骨架采用比剛度大和荷重比大的空間桁架結構進行設計。骨架的主承力框架采用H型鋼與U型鋼焊接而成，非承力部位采用L型角鋼斷續(xù)焊接，最大程度上減少由于大面積的拼焊造成骨架的焊接變形和焊接應力?？紤]到雷達系統(tǒng)架設地點，骨架上所有承力結構件均采用抗低溫性能優(yōu)良的Q355D鋼材。

由于5塊子骨架結構類型相似，本文僅針對作為主要承力部件的中骨架結構設計進行詳細闡述，其余子骨架設計思路與此相同，如圖3所示。根據天線骨架與傳動機構轉軸的連接方式，中骨架除承受自身重量外，還承擔著兩側邊骨架及設備的全部載荷，包含骨架共計約70 t載荷。

圖3 中骨架示意圖

中骨架上下各有多個法蘭分別焊接在縱橫梁相交處并與上下兩側邊骨架連接。上下及后側焊接斜筋加強中骨架的穩(wěn)定性。骨架內部為中空結構，方便設備維修。中骨架前端為天線單元的安裝面，為保證天線單元的良好接地電性能以及防腐性能，安裝面均采用316L不銹鋼板與中骨架焊接。

圖4 端框結構圖

中骨架左右兩端與傳動機構轉軸連接，為了提高接口處的承載、抗彎能力，將接口處設計為薄壁與板筋加強的箱式輻射狀結構形式，主軸貫穿箱體與射狀筋焊接。薄壁輻射狀箱梁結構作為應力緩沖處，避免了兩端受力過大而造成應力集中?？紤]到雷達天線陣面載荷分布情況，與傳動機構連接的主軸在結構上采用偏心設計，減少由于雷達天線陣面重心位置的偏心對傳動機構帶來不必要的偏心載荷，進而增加傳動機構的使用效率。主軸內側凹止口結構與傳動機構連接面配合軸向定位，如圖4所示。

3 子骨架連接強度分析3.1 骨架與傳動機構連接分析

天線陣面系統(tǒng)共約70 t，通過中骨架兩端主軸與傳動機構連接，屬于典型的大型結構軸系連接，本結構采用20顆M36的液壓螺栓進行連接，能夠解決傳統(tǒng)螺栓抗剪性能差、螺栓受力不均勻等缺點。傳動機構電機傳遞給天線骨架的有效力矩=400 kN·m,同時考慮到電機啟動時可能出現的瞬時過載，引入安全系數=3，則計算扭矩=·=1 200 kN·m。液壓螺栓承受最大剪切力為

(2)

式中,為螺栓至轉軸中心的距離，為天線陣面系統(tǒng)重力，為螺栓數量，故螺栓承受的最大剪切力為

(3)

M36的液壓螺栓允許最大剪切力為245 kN，滿足設計要求。

3.2 子骨架間連接分析

子骨架通過88顆M20螺栓與中骨架、次邊骨架、邊骨架之間的法蘭面依次連接，每顆螺栓按照保證載荷的60%預緊力緊固。在工作過程中，螺栓組主要受重力和翻轉力矩的作用，保證在預緊力作用下各法蘭面不相對滑移并且不被壓潰或分離。當天線骨架翻轉至水平狀態(tài)時，中骨架與次邊骨架法蘭連接處所受的重力和翻轉力矩最大。

每顆M20螺栓的設計預緊力為

=0.6×147=88.2 kN

(4)

保證法蘭不相對滑移所需的螺栓預緊力：

(5)

所以法蘭面不會發(fā)生滑移。式中，為螺栓組所受的橫向外力，為摩擦系數，為摩擦面數量，為螺栓數量，為考慮摩擦系數不穩(wěn)定而引入的可靠性系數。

保證接合面最大受壓處不被壓潰的條件：

(6)

式中，為螺栓組法蘭接合面受壓面積，為螺栓組接合面抗彎截面系數，為螺栓組所受翻轉力矩，為接合面允許擠壓應力：

=0.8×345=276 MPa

(7)

(8)

保證接合面不分離的條件：

(9)

(10)

經過計算，各子骨架之間連接滿足不滑移、不被壓潰和不分離條件。

4 天線骨架力學仿真分析

天線骨架主要所受載荷包括重力、溫差、電機驅動和緊急制動等綜合載荷。根據具體結構特征以及有限元建模基本原則，建立有限元簡化模型。天線支撐座安裝轉軸處、天線轉軸、各骨架安裝法蘭采用實體單元；薄壁梁結構、型鋼等采用板殼單元。負載采用質量單元加載在骨架相應位置。為了更真實地反映天線骨架的受力條件，建模時將兩端轉臺一并考慮。天線骨架有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

4.1 天線骨架剛度分析

天線骨架在綜合載荷作用下，針對天線陣面工作仰角為0°、30°、60°三種工作狀態(tài)下對天線骨架安裝面各向變形量進行有限元仿真，天線骨架在各工況下最大變形云圖如圖6所示，計算結果如表2所示。

圖6 骨架最大變形云圖

表2 陣面安裝面最大變形

計算結果表明：天線骨架具有較大的剛度，天線陣面動態(tài)最大法向變形為4.8 mm，滿足變形量小于6 mm的設計要求。

4.2 天線骨架強度分析

為了保證天線骨架整體強度滿足設計要求，確保人員、設備安全，需對天線骨架在可能遇到的各種工況下進行有限元強度分析。經過力學仿真計算，天線骨架在各極限工況下的最大應力如表3所示，骨架最大應力云圖如圖7所示。

表3 各工況下骨架最大應力

圖7 骨架最大應力云圖

計算結果表明，各工況下天線骨架最大應力=170 MPa，天線骨架材料為Q355鋼，厚度小于16 mm，屈服強度[]≥355 MPa，骨架的安全裕度為

(11)

式中為安全系數，取1.3。安全裕度大于0，天線骨架在各工況下滿足安全設計要求。

5 試驗測量

圖8 制造拼裝精度測量實物圖

圖9 天線骨架動態(tài)測量實物圖

為了進一步驗證理論分析與力學仿真計算的準確性，對天線骨架陣面精度實物分別作靜態(tài)以及動態(tài)精度測量。如圖8所示，將拼接完成的天線骨架水平放置，僅中骨架兩端支撐，采用激光跟蹤儀測量方法，測得天線骨架拼裝后陣面精度為0.25 mm，小于理論分析極限值。如圖9所示，將模擬載荷加載在天線陣面，模擬天線工作狀態(tài)，測得在60°夾角位置天線陣面最大法向動態(tài)變形為4.54 mm，相對于仿真分析小5.4%。由于加載試驗采用的整塊鋼板作為負載，對天線骨架的剛度有一定貢獻，所以實測變形值與力學仿真分析數值相比略小，屬于允許誤差范圍內。

6 結束語

本文以某大型相控陣雷達天線骨架為研究對象，針對天線口徑大、精度要求高、載荷量大等特點，在天線骨架結構設計布局、陣面精度分析、關鍵連接部位的強度分析以及天線骨架力學仿真計算等方面進行了深入的研究。最后通過對比實測數據和理論計算，進一步驗證了該骨架結構設計的可行性。由此可見，本文研究內容的相關流程、思路和方法可作為此類型天線骨架結構設計有益的借鑒，也會隨著設計手段和測量方法的不斷發(fā)展而深化。