李 为 王雪瑶

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽合肥 230008

基于ANSYS软件的雷达典型结构建模分析

李 为 王雪瑶

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽合肥 230008

现代仿真技术的应用极大地提高了工业产品的设计能力, 其中以有限元算法应用最为广泛。文中以某型雷达的传动结构为研究目标, 运用有限元软件对其进行刚强度分析。通过建立刚性区域, 耦合主节点自由度来模拟运动关系的约束关系, 并考虑结构对称性以简化计算模型, 得到整个传动结构部分的应力位移分布,为结构改进提供理论依据。

有限元；刚强度; 耦合; ANSYS

一、引言

为适应现代战争的需要, 提高自身生存能力, 缩短快速响应时间, 雷达系统正向车载高机动, 自动化的方向发展。相对于大型地面阵地雷达, 车载雷达系统由于公路运输、车平台设计等因素限制, 对结构的紧凑性、轻量化提出了更高的要求。这就需要设计人员在新产品设计阶段就要依据结构受力特性考虑系统减重问题。

以往, 系统的校核工作主要通过试验来完成。完成初步设计之后做出样机, 通过电测、光弹等试验手段, 得到结构件的应力分布规律及关键受力部位的应力数值, 并以此为依据完善设计。重要件还需要修改样机, 进行重复试验, 直至得到满意结果, 试验成本很高, 周期较长。随着计算机的发展, 基于有限元的虚拟仿真计算在各个领域的工程实践中得到了广泛的应用。相对于试验验证, 仿真技术具有周期短, 成本低,效率高等特点, 可以独立或配合试验完成结构校核, 大大缩短了试验时间, 提高了工作效率。

文章以 ANSYS为计算工具, 运用 APDL 语言实现了参数化的模型处理及计算。APDL 是 ANSYS 的参数化设计语言, 是一种类似于 FORTRAN 的解释型语言。利用 APDL 语言可以建立参数化模型并实现自动求解控制, 可以使用宏程序、选择结构、循环结构, 并对矢量、矩阵进行代数运算。同时, 通过 APDL 语言能够实现 ANSYS中一些高级功能, 例如优化及自适应网格技术。利用APDL 语言编写的参数化建模、复杂载荷的参数化加载、求解控制及数据处理程序, 易于修改和保存, 同时可以在无人工干预的情况下连续求解若干模型及工况, 特别适用于模型设计校核需要多次修改重复分析的问题。

二、基本理论与步骤

(一)将实体离散化, 取结点位移为基本未知量。

(二)选择位移函数, 用单元结点位移唯一地表示单元内部任一点位移。

(三)通过位移函数、广义虎克定律, 用结点位移唯一地表示单元内任一点的应力。

(四)利用能量原理, 找到与单元内部应力状态等效的结点力;再利用单元应力与结点位移的关系, 建立等效结点力与结点位移的关系。

(五)将单元所承受的载荷, 按静力等效原则移置到结点上。

(六)建立结点位移的静力平衡方程组, 求解得到结点位移, 然后求出每个单元的应力。

三、计算

（一）几何模型

该天线座有两种受力状态∶ 工作状态和运输状态,通过曲柄连杆的展开或折叠来实现两种状态的转换。本文在 PRO /E 中建成天线座传动系统的实体模型, 导入 ANSYS C lassic软件。为减小模型规模, 没有建立天线部分的实体模型, 通过在质心处做质量单元来模拟其重量载荷作用。

（二）有限元模型

天线座所受外载为天线重心处的天线重力和风载荷, 为减小计算规模, 没有对天线进行建模, 仅建立远程加载点来方便加载。同时简化外挂在天线座上的电机驱动器、电机减速机、汇流环、伺服主控箱及俯仰机构, 以刚化区域附质量单元模拟重量。转台与底座间通过带齿大轴承连接, 利用安装在底座上的方位电机驱动转台转动。为模拟实际约束状态, 轴承处在柱坐标系中释放转动自由度来模拟轴承转动, 大轴承与电机末级小齿轮固定,并将末级小齿轮固定在底座上,与实际约束状态相符。底座固定在车体上, 因此对根部螺栓孔施加固定约束。考虑到转台结构的对称性, 为减小单元数量, 转台与底座分开计算, 并将转台按对称模型取二分之一进行计算, 对称面上所有节点处施加对称约束。

（三）结果分析

转台最大应力 21M Pa, 位于转台安装电机驱动器处, 此处为刚性区域作用处; 其余部位应力水平均低于 21 MPa; 转台最大位移 0. 4mm, 发生在转台安装电机驱动器处附近。底座最大应力46 MPa, 位于底座与车架螺栓孔处,不予考虑; 其余部位应力水平不高于20MPa。最大位移发生在底座与转动大轴承接触面处, 为0. 035mm。运输状态转台最大应力 21 M Pa, 位于转台安装电机驱动器处, 此处为刚性区域作用处; 其余部位应力水平均低于 17 M Pa; 转台最大位移0. 5mm,发生在转台安装电机驱动器处附近。底座最大应力 46 MPa, 位于底座与车架螺栓孔处,不予考虑; 其余部位应力水平不高于20MPa。最大位移发生在底座与转动大轴承接触面处, 为0. 035mm。经计算, 阵面升起 20度时为曲柄连杆最大受力状态。此时曲柄最大应力为54MPa, 位于曲柄与俯仰电机轴的接触面边缘, 为挤压所至。但此处靠近旋转约束刚性区域, 限制了该处的受力变形, 所以应力水平偏高。除此处外曲柄其他部位最大应力 30 MPa, 连杆最大应力6MPa。

四、结束语

从应力云图来看, 转台、底座及曲柄的应力水平不高, 完全满足强度要求, 有一定的减重空间。但底座轴承安装面处有0. 035mm的变形量, 此处由于安装轴承的需要, 有一定的刚度要求。因此, 减重的同时应注意保证结构的变形要求。根据大量工程应用经验, 有限元法在计算结构的静强度和变形位移时, 能得到精度很高的计算结果。因此, 从以上计算过程可以看出, 运用ANSYS有限元软件进行强度计算非常高效。结构的优化修改与计算可以同时进行, 大大缩短了产品的研制周期, 提高了产品竞争力。

[1]李云贵,赵国藩．结构可靠度的四阶矩分析法[J]．大连理工大学学报,1992年04期．

李为（1968．12-）山东人，技师，主要从事结构可靠性技术研究。

王雪瑶（1987．9-）安徽砀山人，工程师，主要从事机械系统设计及其动力学分析。