濮赞泉，纪彦星，陶 俏，刘 恒

(1.中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153;2.91404部队，河北 秦皇岛 066000)

0 引 言

舰载雷达设备作为军舰的核心组成部分，如何在满足性能的要求下做到重量轻、体积小、刚度高一直是近年来的研究热点。舰船在水面航行时受海面风浪影响会发生纵摇、横摇、垂荡，由此带来的振动和冲击会对舰载雷达设备产生很大的影响[1]。此外，风载荷是必须考虑的一种主要载荷，特别是在强度计算时，风载荷常常起着决定性的作用，不但影响雷达设备结构强度，还会引起结构变形，严重影响天线的精度，造成偏焦和指向误差[2]，所以有必要对雷达设备在多种载荷和振动、冲击作用下的受力变形和应力情况进行研究，以检验其结构的可靠性。

本文以一型舰载干涉仪设备为例，运用有限元法对其骨架结构进行力学分析，计算结果表明该干涉仪设备骨架的整体结构性能满足刚强度设计要求，为后续设计和优化提供了依据。

1 有限元模型建立

1.1 模型简化

该舰载干涉仪设备是一个由众多元器件和零部件组成的复杂系统，且各零部件之间的连接关系较为复杂，因此必须在满足计算精度的范围内对模型进行简化处理。模型的简化直接影响计算速度和计算准确度，根据建立系统有限元模型的一般原则，忽略其天线座结构中对系统刚、强度影响较小的零部件的作用，在AnsysWorkbench软件中将各元器件去除，忽略过渡圆弧、微小的凸台和孔、浅槽等结构特征，主要对由机柜和天线支架构成的干涉仪设备骨架结构进行刚强度分析计算。简化后的模型如图1所示。

图1 骨架简化模型

1.2 材料选择

设计采用铸铝ZL101A-S-T5作为骨架结构主体材料，其材料主要性能参数见表1。

表1 铸铝ZL101A-S-T5主要性能参数

1.3 网格划分

将简化后的干涉仪骨架模型导入AnsysWorkbench，赋予材料，进行网格划分。网格划分的优劣直接影响计算结果的准确性，网格越小，计算结果越精确，但计算速度变慢，同时还会出现畸变现象，导致结果失真。本文采用尺寸控制方法通过ElementSizing 选项设置单元尺寸，得到125 880个四面体单元，如图2所示。

图2 骨架网格划分

2 结构力学特征分析

2.1 静力学分析

作用于干涉仪设备上的风载荷可以用下式计算[3]：

F=CFqA

(1)

式中，q为动压，其大小与空气密度有关，在标准大气压下，当温度为15 ℃时，ρ=0.125 kg·s2/m4，故沿海地区一般取q=1/17v2；CF为风力系数，与结构形状及雷诺数有关，参考同类型设备取1.41[4]；A为天线的特征面积，m2；v为风速，m/s。

根据舰船设备风速环境要求，露天设备应能承受60 m/s的相对风速而不损坏，经计算得到60 m/s平稳风速对应的等效静载荷为659 N。对自重、60 m/s风载荷共同作用下的干涉仪骨架进行刚强度分析，得到的应力分布云图和变形云图如图3所示。

图3 风载荷作用下骨架变形和应力分布

数值模拟结果表明：在风载荷作用下，骨架的应力最大值位于机柜上端内部加强筋处，最大应力为17.1 MPa；最大形变0.51 mm发生在骨架左上角边缘处。

2.2 模态分析

设备在运输、安装以及稳定运行阶段均受到振动作用，有可能产生共振现象。为避免因共振造成系统设备损伤和破坏，须对设备系统进行模态分析，以确定设备系统的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态荷载结构设计中的重要参数，结构在动力荷载作用下各截面的最大内力和位移都与结构自由振动时的频率和振动形式密切相关[5]，是进行各项动力分析的前提和基础。

通过数值模拟得到的干涉仪设备骨架前6阶振型如图4所示，前6阶的固有频率如表2 所示。

图4 模态变形图

表2 干涉仪骨架固有频率

2.3 振动分析

舰船上存在周期振动和随机振动：周期振动由螺旋桨叶片的扰动和螺旋桨轴系的不平衡力等引起；随机振动由舰船航速、航向、各种操作和海情等变化引起。舰载干涉仪设备安装于舰船的主体区，按相关标准[6]在数值模拟中施加1 g垂直加速度载荷，得到干涉仪骨架结构应力变形情况如图5所示。

图5 振动载荷作用下骨架变形和应力分布

数值模拟结果表明，在1 g垂直加速度载荷作用下，干涉仪骨架应力最大值位于干涉仪机柜上部两侧加强筋处，为13.2 MPa；最大形变发生在干涉仪机柜上部开口边缘处，为0.63 mm。

2.4 冲击分析

在受到水下非接触爆炸的时域冲击载荷时，舰船设备由于惯性力会产生冲击响应和变形，根据相关标准[7]，水面舰船机械电子设备在不使用抗冲击隔离元件时采用的冲击谱如表3所示。

表3 舰载干涉仪设备各向弹性设计冲击谱

对于甲板安装位置的设备，表中Aa、Va按下列公式计算：

(2)

(3)

再根据下列公式转化为等效的如图6所示的时域加速度曲线：

图6 等效双三角形时域曲线冲击条件

A1=0.6A0

(4)

t2=1.5V0/A1

(5)

t4=6.3D0/1.6A1t2

(6)

A2=-A1t2/(t4-t2)

(7)

t1=0.4t2

(8)

t3=t2+0.6(t4-t2)

(9)

式中，A0、V0和D0分别为模型对应的冲击谱中的等加速度谱、等速度谱和等位移谱。

数值模拟得到干涉仪骨架结构应力云图如图7所示。

图7 冲击载荷作用下骨架应力云图

数值模拟结果表明：在冲击载荷作用下，干涉仪骨架应力最大值位于上部加强筋和面板的连接处，为55.3 MPa。

3 结束语

本文利用三维建模软件建立了典型舰船用干涉仪设备骨架模型，利用Ansys Workbench软件对干涉仪骨架进行了结构力学特征分析。计算结果表明：在极限风速作用下，最大应力为18.2 MPa；在振动、冲击载荷作用下，最大应力为55.3 MPa，主要集中分布在干涉仪骨架上部加强筋和面板的连接处。该舰载干涉仪选用牌号ZL101A-S-T5铸铝材料，抗拉强度σb=225 MPa，各种工况下干涉仪骨架所受应力均小于材料的抗拉强度，表明该结构形式的干涉仪骨架整体结构性能满足刚强度设计要求。