于坤鹏，杨传忠，王志海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所国家级工业设计中心， 安徽 合肥 230088)

某雷达机柜结构刚强度有限元分析*

于坤鹏，杨传忠，王志海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所国家级工业设计中心， 安徽 合肥 230088)

雷达机柜装在设备平台舱内，会受到过载、冲击、随机振动等环境条件的影响，需要考虑结构的刚强度是否满足要求。文中针对某雷达机柜结构，采用大型有限元仿真软件ABAQUS，对机柜结构在过载、冲击、随机振动等环境条件下的刚强度进行了仿真分析，并对结构中刚强度较弱的部位进行了优化设计。结果表明，改进后的结构刚强度满足设计要求。

雷达机柜；刚强度；有限元法；振动环境

引 言

雷达机柜用于放置雷达电子模块，包括DSP、DBF等核心电子组件，是雷达的大脑所在，对于确保雷达正常工作、性能安全有着重要意义[1-2]。同时，机柜安装在设备平台上，在运输、行进及工作中会随平台受到过载、冲击等振动环境的影响，机柜结构的设计既要保证满足组件安装精度的需要，又要保证在承受相关振动冲击时强度满足要求[3-5]。因此对机柜结构进行刚强度校核十分必要。有限元方法的出现为复杂结构的力学性能分析提供了便捷的途径，对于提高产品研发效率、产品结构的早期定型改进都具有重要作用。本文采用大型有限元仿真分析软件ABAQUS对某雷达机柜结构进行刚强度校核，分析了结构在承受过载、冲击、随机振动等载荷时的刚强度性能，为机柜设计定型和结构优化提供了参考依据。

1 雷达机柜有限元模型

某雷达机柜结构主要由上顶盖、下底座、支撑立柱和侧板组成，立柱与上下部分采用环氧树脂胶接，侧后板由几块铝型材拼装后通过上下端板用螺钉连接成一个整体，并在四周槽内镶嵌减震或屏蔽用橡胶密封条或屏蔽密封条，侧后板通过底部定位销和顶部及两侧螺钉与机柜固定形成一个整体，如图1(a)所示。机柜下底座通过4个螺钉与设备平台固定。

依据上述结构建立机柜有限元分析模型，如图1(b)所示。该机柜结构主要由金属模压铸件、板材和型材构成，因此模型主体采用壳单元建模。为保证建模精度，底座安装位置采用实体单元建模。内部设置5层托架，采用刚性单元模拟，刚性单元中心节点叠加质量单元以模拟托架质量。

图1 某雷达机柜结构图

整个结构材料为2A12铝合金，材料参数如下：密度2 700 kg/m3，弹性模量70 GPa，泊松比0.33。该模型坐标系定义如下：垂直于机柜安装面为Z向，机柜开口方向为Y向，按照右手螺旋定则确定X向。模型包含343 941个单元，362 828个节点。

2 静力学过载分析

2.1 过载载荷条件

当结构设计不合理或强度不足时，加速度载荷的存在会使结构产生塑性变形甚至破坏，从而影响产品的使用性能和安全性能。对于机柜结构，作为电子设备的平台，其变形或破坏会导致电子设备稳定性降低，甚至出现跌落等严重问题，因此对机柜开展静态过载分析十分必要。机柜在运输过程中会受到加速度过载，具体载荷为：Z向2.8g，X、Y向2g。

2.2 过载计算结果分析

依据2.1中的载荷条件计算结构在3向过载作用下的应力和位移，结果见图2～图4。由图可见，机柜在X向2g过载下应力和变形最大，最大应力为105.9 MPa，最大应力出现在侧板与底座连接的转接板附近；最大位移为2.598 mm，变形较大的区域为侧板结构。由于侧板不起承力作用，其变形不作指标要求。去除侧板后，结构整体位移为1.056 mm，满足刚度要求。由图3可见，机柜在承受Y向过载时，结构最大应力为84.2 MPa，最大位移为2.912 mm。由图4可见，机柜的Z向刚强度较好，最大应力为25.6 MPa，最大位移为0.177 mm，应力和变形均较小，说明机柜对Z向载荷环境具有较好的承受能力。

图2 X向过载下应力与位移云图

图3 Y向过载下应力与位移云图

图4 Z向过载下应力与位移云图

3 动力学响应分析

静力学过载分析可以保证结构在承受稳态载荷时不出现损伤或破坏，但来自运输、工作时的冲击、随机振动等动力学载荷对结构力学性能影响更大，因此有必要对机柜的动力学特性开展分析。本文基于模态动力学方法开展机柜结构的动力学响应分析。

3.1 模态分析

模态分析是采用模态动力学方法分析机构动力学响应的基础，其目的是获取各向动力学响应的有效频率和模态振型。因此对机柜进行模态分析，机柜结构模态振型如图5所示。从图中可以看出，机柜1阶模态频率为24.8 Hz，2阶模态为29.3 Hz，振型主要由3面侧板的振动引起。3面侧板均采用1 mm厚的铝板制成，强度偏弱，在承受相应频率振动载荷时易出现共振现象。前3阶模态均为局部模态。机柜整体结构的1阶振型在第5阶时出现，频率为34.4 Hz，为机柜的左右摆动阵型。

图5 机柜结构模态振型图

3.2 冲击载荷分析

机柜在安装、运输等过程中会受到冲击载荷的影响。采用模态动力学方法分析机柜在承受冲击载荷时的强度。冲击采用半正弦方式，时间为11 ms，峰值加速度为7.5g。计算结果如图6所示。

图6 冲击载荷作用下应力云图

由图可见，在X向冲击下，结构最大应力为451.1 MPa，出现在侧板底部与下底座连接的横梁螺钉孔附近(柜门对面)。Y向冲击下，结构最大应力为286.5 MPa，出现位置与X向相同。而在Z向冲击下，最大应力为26.7 MPa。可见，该机柜在Z向具有很好的强度，但X和Y向较差。

由于侧板较薄，在冲击载荷下，冲击响应较大，使得与之连接的螺钉孔受到较大应力，容易引起螺钉孔的变形甚至产生裂纹。因此需要对此处结构进行改进设计。

原结构侧板底部与下底座采用2个螺钉连接，易造成应力集中，在此基础上，增加2个螺钉孔，进一步计算结构冲击响应，结果如图7所示。可以看出，在消除应力集中后，最大应力出现在机柜底部的安装孔附近，X向冲击下最大应力为137.2 MPa，Y向冲击下最大应力为122.1 MPa，满足强度要求。

图7 改进后的冲击载荷作用下应力云图

3.3 随机振动分析

机柜在随平台行进中会受到随机振动载荷，需要进行随机载荷分析。针对改进模型，进一步进行随机振动分析，考虑到机柜的Z向刚强度很好，此处仅计算X和Y方向。随机振动谱如表1所示，该随机振动谱包含定频振动和宽频振动成分。

表1 机柜随机振动条件

机柜在随机振动载荷下的应力和位移分布如图8所示。从图中可以看出，机柜在承受X向随机振动时，最大3σ等效应力为111.3 MPa，在承受Y向随机振动时最大3σ等效应力为134.1 MPa，按照2A12铝合金材料的屈服强度275 MPa，安全系数1.5校核，机柜在X、Y方向的强度满足设计要求。

图8 随机振动载荷下应力云图

4 结束语

本文研究了某雷达机柜在过载、冲击、随机振动等载荷作用下的结构刚强度响应。通过对机柜结构进行有限元仿真，运用静力学和模态动力学方法计算了机柜结构在各种工况下的应力云图，并对结构中可能出现应力集中的部位进行了改进设计。计算结果表明，改进后的结构满足刚强度设计要求。该有限元仿真分析对于缩短产品研制周期、降低成本、减少返工等方面具有重要意义。

[1] 刘永, 徐晓. 舰载电子设备循环风冷式密闭机柜[J]. 雷达与对抗, 2008(4): 53-55.

[2] 刘国维. 新型车载雷达模块化机柜的设计[J]. 电子机械工程, 2007, 23(3): 28-30, 40.

[3] 崔高健, 孙贺, 高传亮, 等. 电子设备机柜减振设计研究综述[J]. 机械工程师, 2015(4): 146-148.

[4] 杨玉光, 周吉, 李齐兵. 某机载显控台结构的有限元分析[J]. 电子机械工程, 2016, 32(4): 62-64.

[5] 陈应春, 宋晓斐. 某车载天线工作状态下的结构刚强度分析[J]. 电子机械工程, 2016, 32(1): 44-47.

于坤鹏(1987-)，男，博士，工程师，主要从事结构力学性能有限元仿真和试验测试、结构减振降噪、轻量化设计工作。

Finite Element Analysis for Stiffness and Strength of a Radar Cabinet Structure

YU Kun-peng，YANG Chuan-zhong，WANG Zhi-hai

(National-levelIndustrialDesignCenterofthe38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Radar cabinet installed in the equipment platform bay will be subjected to the environmental conditions such as overload, impact and random vibration. It is necessary to consider whether the structural stiffness and strength meets the requirements. In this paper, the large-scale finite element simulation software ABAQUS is used to analyze the stiffness and strength of the cabinet structure under overload, impact and random vibration, and optimization design is conducted for the weak part of the structure. Results show that the cabinet with improved structure satisfies the design requirement.

radar cabinet; stiffness and strength; finite element method; vibration environment

2016-11-21

TN957.8+3

A

1008-5300(2017)02-0027-04