（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计.pdf

摘要 天线作为辐射和接收雷达电磁波的主体，具有相当高的阵面精度、刚度和强 度，是雷达系统的重要组成部分。机动型雷达有限的空间和重量指标使雷达天线 的刚度指标与空间尺寸、刚度指标与重量指标这些固有矛盾进一步加剧。雷达天 线的结构设计成为机动型雷达设计和制造的关键。本文借助虚拟样机技术，结合 结构分析理论，来实现某机动型平面阵列天线的主要结构设计指标，并且保证其 结构的机械性能安全可靠。 文中主要基于a n s y s 软件和a d a m s 软件对天线结构及其相关结构进行仿真 分析，主要工作可以分为两部分：第一部分，建立了雷达天线骨架结构和骨架支 撑结构的仿真分析模型，利用a n s y s 软件分别对模型进行有限元分析。其中，对 天线骨架结构进行静力分析和运输状态下的动力分析，校核其刚度和强度，为设 计过程中雷达天线的结构能否满足设计要求提供技术依据，而对骨架支撑结构则 主要进行静力分析，以校核其强度能否满足雷达天线的工作安全。第二部分，建 立了雷达天线液压举升机构的仿真分析模型，以液压油缸的四个安装支点位置为 设计变量，以液压油缸的最大举升力为目标函数，应用a d a m s 软件对液压举升 机构进行试验设计仿真，为液压油缸安装支点位置的设计提供参考。 关键词：天线结构虚拟样机技术a n s y sa d a m s 仿真分析 a b s t r a c t a n t e n n a , t h ek e yc o m p o n e n to ft h er a d a rs y s t e m ，f u n c t i o n sa st h em a i np a r to f t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gr a d a re l e c t r o m a g n e t i cw a v e ar a t h e rh i g h l ys u r f a c ep r e c i s i o n a n de n o u g hi n t e n s i t ya n dr i g i d i t ya r er e q u i r e di nt h er a d a ra n t e n n a , b u tt h el i m i t e ds p a c e a n dt h ew e i g h tt a r g e ts h a r p e nt h ei n i t i a lc o n t r a d i c t i o n sa c u t e l ya m o n gt h es p a c e ，t h e r i g i d i t ya n dt h ew e i g h t m o r e o v e r , t h ef l e x i b i l i t yo f t h em o b i l er a d a ra c c u m u l a t e st h e s e p a r a d o x e s b ym e a n so ft h en e w l ye m e r g i n gv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n dt h e t h e o r yo fs t r u c t u r a la n a l y s i s ，t h es t r u c t u r eo ft h ep l a n a ra n t e n n aa r r a yo f am o b i l er a d a r s h o u l db ed e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s w i t ha n s y ss o f t w a r ea n da d a m ss o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o na n da n a l y s i si s i n t r o d u c e di nt h ep a p e r , d i s c u s s i n ga b o u tt h ea n t e n n as t r u c t u r ea n dt h er e l a t e ds t r u c t u r e o ft h ea n t e n n a t h es t u d yw o r ko ft h ep a p e ri n v o l v e sm a i n l yt h ef o l l o w i n gt w os e c t i o n s ： f i r s t l y , t h es i m u l a t i o na n a l y s i sm o d e lo f t h ef r a m es t r u c t u r eo ft h er a d a ra n t e n n aa n dt h e s u p p o r ts t r u c t u r eo ft h ea n t e n n af r a m es t r u c t u r ea r eb u i l tu p ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw i l lb ep e r f o r m e dr e s p e c t i v e l y 、析t ha n s y ss o f t w a r e a sf o rt h es i m u l a t i o n a n a l y s i sm o d e lo ft h ef r a m es t r u c t u r eo ft h er a d a ra n t e n n a , s t a t i ca n a l y s i sa n dm o d e l a n a l y s i si nt h et r a n s p o r ts t a t ea l ec o n d u c t e dt oc h e c ki ft h ei n t e n s i t ya n dt h er i g i d i t y s a t i s f yt h ed e s i g ni n d e x e s h o w e v e r , i ti se s s e n t i a lf o rt h es a f e t yc h e c k t op e r f o r ms t a t i c a n a l y s i so nt h es i m u l a t i o na n a l y s i sm o d e lo f t h es u p p o r ts t r u c t u r eo ft h ea n t e n n af r a m e s t r u c t u r e s e c o n d l y , t h es i m u l a t i o na n a l y s i sm o d e lo f t h eh y d r a u l i cl i f t i n gm e c h a n i s mo f r a d a ra n t e n n ai sb u i l tt oc a r r yo nt h ed y n a m i ca n a l y s i s 谢t l la d a m ss o f t w a r e ，t h e n t a k i n gt h eh i n g ep o i n t so ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra sd e s i g nv a r i a b l e s ，t h em a x i m u ml i f t f o r c ea sa no b j e c t i v e t h ed e s i g no fe x p e r i m e n t si sp r o c e s s e db ya d a m ss o f t w a r e k e y w o r d s ：a n t e n n as t r u c t u r e v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a n s y sa d a m ss i m u l a t i o na n da n a l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展，现代战争具有了全新的特点：一是战争发生时间 的不确定性；二是战线的模糊性；三是跨越时空的超远程打击。而防空信息系统 中的雷达、通信和指挥控制系统无疑成为打击的首要对象。现代战争的快速部署 和快速转移的战术特点使得机动性成为现代雷达的一个重要战术要求。它包括雷 达从一个阵地的战备状态，经过快速撤收、越野行军，进入另一个阵地，快速架 设，并转入战备状态的诸多环节。这些环节需要的人员越少，占用的时间越短， 其机动性越强，抗摧毁能力越高。因此，机动型雷达必定是体积小、重量轻、单 元数少，并且能快速架、拆的高机动系统。同时，能满足空运、海运和地面快速 转移的要求【l j 。 人们常把雷达称之为“千里眼”，而天线则是雷达名副其实的“眼睛”，甚至 很大程度上成为雷达整机的鲜明标志【2 】。天线的首要任务是有效地辐射或接收无线 电波。同时，天线还是一个能量转换器，发射天线将来自发射机的高频电流( 或导 波) 能量转变为同频率的无线电波能量，向空间辐射，而接收天线则将来自空间的 无线电波能量还原成高频电流( 或导波) 能量，送入接收机。天线本身具有接收和发 射的互易性，雷达中常用同一天线交替地担负发射天线和接收天线的工作，用天 线转换开关来完成转换作用【3 】。把若干个天线单元按一定规律排列起来而组成的天 线系统叫天线阵，利用相邻天线单元辐射场相互干涉的效果，微波能量分配到这 些天线单元，可使天线的方向性增强。 1 1 雷达天线结构分析的重要性 雷达是一种典型的机电一体化产品，由天线、馈线、发射、接收和基础构件 等主要部分组成，各种雷达的特点主要体现在天馈系统。新型雷达研制和生产的 难点也集中在天馈系统。因此如何设计制造天线是雷达系统研制过程中的关键问 题【4 l 。天线的形状多种多样，常用的是各种线天线和面天线以及它们的组合和阵列。 而作为天线主体之一的天线结构，对保证天线整体的电性能发挥着极其重要的作 用。天线结构与一般工程结构有其共性，但也有其特殊性天线结构是为实现 天线的电性能服务的，它的设计必须满足电性能的要求。 在平面阵雷达系统中，阵面天线是其无线电工程系统中的一个重要组成部分， 其特性直接决定着雷达系统的性能，其中最为关键的是天线反射面的平面度。天 线阵面平面度误差会引起天线口面场的相位误差，使天线的增益降低、旁瓣电平 增高、指向精度变差，因此，它是结构设计中要控制的主要指标之一【5 】。实际中， 2 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 天线阵面不可能与理论平面完全一致，而有一定的误差，这里的误差主要包括制 造误差和结构变形引起的误差，其中结构变形误差是由天线的工作条件和工作方 式( 载荷、运动、支撑条件等) 决定的。因此，进行阵面天线的结构设计时，应将天 线的制造误差和结构变形误差控制在一定的范围内，尤其是结构变形误差是结构 设计人员在设计时要考虑的重要指标【5 1 1 6 。由于馈电网络相对来说没有足够的刚 性，天线阵面平面度主要依靠其天线支撑骨架的刚性来保证。在自重、外载荷等 的作用下，天线支撑骨架会发生结构变形，而影响到天线阵面的平面度，进而直 接影响到天线的电性能。可见，在天线结构设计时，分析支撑骨架的变形使其控 制在允许的范围内是十分重要的。 在天线结构设计中，刚度是衡量天线结构机械性能最重要的指标。因此，如 何科学而合理地设计天线结构，是工程界十分关心的问题。雷达天线的设计涉及 多个学科，而天线结构的设计分析是必不可少的一方面。 1 2 论文的研究目的及意义 现代战争的发展特点，要求雷达具有足够的机动灵活性。机动性要求雷达整 机应具有尽量少的运输单元，且雷达通过性对运输单元的体积、重量有严格的要 求。天线作为辐射和接收雷达电磁波的主体，要求天线在工作时，应具有足够的 刚、强度，即在各种载荷的作用下，结构系统只允许存在弹性变形，并且弹性变 形值应限制在允许的范围内，以满足电讯性能对天线精度指标的要求。这样，机 动型雷达有限的空间尺寸和重量指标及快速架设的特点与刚度、强度的矛盾进一 步加剧，因此应在分析机动型平面阵列天线结构设计特点的基础上采取有效措施 来保证设计指标的实珊。 在雷达行业，以往天线结构设计中，一般依赖经验拟定指标和系统方案，据 此进行方案设计、图纸设计、制造实物样机、检测实物样机、根据检测出的数据 改进设计、重新制造实物样机或部件、再检测实物样机，直至测试数据达到设计 要求，最后定型生产。这种设计模式往往依靠手算，不仅工作量大、计算速度慢， 而且计算结果不可能可靠地反映实际情况。此外，更是常常会出现为了保证足够 的刚、强度和安全可靠性，而增大构件截面，使结构重量大大增加等后果，这不 利于雷达的机动性设计。传统的设计模式中，新产品的研制往往需要多次制造和 多次测试实物样机，不仅导致产品的研制周期拉长，研制费用增加，造成大量的 人力、物力和财力的浪费，而且由于设计和开发手段的落后，对于一些深层次的 技术问题，只能停留在经验估算阶段，甚至放弃考虑。另外，传统的研发模式依 赖实物和现场试验结果，无法实现最优化设计。对于结构趋于大型化、复杂化的 天线系统，结构的安全性和可靠性无法在项目建成后再用实验方法来测试和验证， 第一章绪论 3 只有在设计方案阶段通过做大量的计算分析和模拟试验来获得，这是传统方式无 法实现的。 显然，传统的设计模式对车载雷达的机动性能和现代电子设备的设计和制造 质量、性能、周期等方面提出的要求是极不相称的，有必要寻找新的设计手段来 突破这一设计瓶颈。本文将当前新兴的虚拟样机技术应用到某机动型平面阵列雷 达天线结构的设计过程中，利用有限元仿真分析技术实现了在天线结构的方案设 计阶段对其进行工作环境的计算机模拟，预先了解天线结构在未来工作环境下的 应力、位移及固有频率等情况是否满足设计需求；利用“数字化样机 技术实现 了雷达天线的液压举升机构的运动仿真，并对液压油缸进行参数化设计，以液压 油缸的四个安装支点位置为设计变量，以液压油缸的最大举升力为目标函数，对 液压举升机构进行试验设计仿真，得出液压油缸支点位置的选择对其最大举升力 的影响，为液压油缸安装支点位置的设计提供参考。这样，利用虚拟样机技术的 仿真手段，精确并高效地解决了传统研制过程中普遍存在的多种工程问题。这种 设计模式不依赖于传统原型样机的反复修改，能根据市场需求和变化，快速改变 设计，提供影响产品性能、影响制造成本、影响生产周期的相关信息，优化产品 性能。 1 3 1 虚拟样机技术的发展 1 3 虚拟样机技术概述 虚拟样机技术的出现是市场激烈竞争拉动和技术迅速发展推动共同作用的结 果。随着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激烈，多品种小批量生产和大批 量定制生产逐渐成为主导的生产形式。在这种情况下，企业要求得生存与发展， 就必须调整其产品开发和生产组织模式，解决t ( 最快的上市时间) 、q ( 最好的产品 质量) 、c ( 最低的产品成本) 、s ( 良好的产品服务) 和e ( 最少的环境污染) 难题峭j 。另 一方面，世界已经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术 得到了飞速发展与广泛应用，这为t q c s e 难题的解决提供了机遇。在这样的背景 条件下，虚拟产品开发和虚拟样机技术应运而生。 虚拟样机技术是近些年在产品开发的c a x 如c a d c a e c a m 等技术和 d f x 如d f a ( d e s i g n f o ra s s e m b l y ) 、d f m ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ) 等技术的基础上 发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，将 这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统优化设计与制造并对它们进行综合 管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用 虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期， 4 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力f 引。虚拟 样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都己得到了广泛的应用，应用领域 从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通 用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等诸多方面9 】【l o l 。 1 3 2 虚拟样机技术的内涵 虚拟样机技术是一门综合机械、计算机图形学、系统建模技术、虚拟现实技 术、协同仿真技术等多个技术领域的新兴技术，以多体系统运动学与动力学理论 为基础，借助计算机辅助设计技术、有限元分析技术、“功能化数字样机 技术、 信息技术和集成技术等，实现对真实环境和产品性能的模拟。由于各领域的特点 和侧重点不尽相同，虚拟样机技术目前尚没有一个明确统一的定义i l l j i l 2 j i l 引。 简单地说，虚拟样机是用来代替物理样机的计算机仿真数字化模型，而虚拟 样机技术就是利用虚拟样机在虚拟环境中实现物理样机的各项性能要求的方法。 虚拟样机是模型，而虚拟样机技术是方法；虚拟样机是虚拟样机技术的外在表现， 而虚拟样机技术是基于虚拟样机的多领域、多学科的综合应用方法。 虚拟样机技术主要是针对传统的设计理念和方法而言。传统设计需经过概念 设计和方案论证，然后进行产品的细节设计，设计完成后试制样机进行测试。如 果测试结果满意则投入生产，反之，则需修改设计并再用样机测试，直至测试结 果满意。在大多数情况下，样机的试制往往需要经过反复多次的设计一测试一设 计过程，有些时候测试实验甚至是破坏性的。这样不但产品的设计周期无法缩短， 而且样机的制造和测试反而会增加成本。虚拟样机技术则利用可视化的虚拟环境 以及可交互式探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交 互的建模与分析，在产品设计阶段，就可以驱动数字化样机进行物理样机在实验 室或试验场所能做的性能测试与评估，并直接根据评估结果进行设计过程中的修 改，在产品投入生产制造之前，即可通过多种设计方案的筛选、比较，来获得系 统级的优化设计方案，以降低产品的开发成本和缩短产品的开发周期。 1 3 3 虚拟样机技术的优势 ( 1 ) 虚拟样机技术能够实现系统级的产品优化，使研发成本降低、研发周期 缩短、产品质量提高。与传统的串行研发过程不同，虚拟样机技术是基于并行工 程的开发技术，具有从系统的层面来分析复杂系统的特点，能够支持“由上至下 的开发模式。它强调在系统层面上模拟产品的外观、功能和特定环境下的行为， 使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的 敏感参数，预测产品在真实工作状况下的特征以及所具有的响应，直至获得整体 第一章绪论 5 最优的工作性能，有些时候甚至可以通过虚拟样机完成物理样机无法进行的试验。 这极大地提高了产品设计的效率和质量以及一次开发的成功率。 ( 2 ) 虚拟样机技术支持协同设计，实现虚拟企业的动态联盟。为了适应快速 变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t 临时缔结的一种虚拟企业。虚拟样机的数字化特征使得产品信息在网络中能够快 速传递和及时反馈，实现参盟企业之间产品信息的敏捷交流，使不同企业、不同 部门的专业人员针对各自行业的需求，在不同地点对虚拟样机进行测试、仿真评 价、协同改进和完善。 ( 3 ) 虚拟样机技术涉及产品全生命周期，除了设计开发阶段的分析测试，还 可以对产品的故障监测、维护服务甚至回收利用进行全面分析仿真。 1 3 4 虚拟样机技术的局限性 ( 1 ) 虚拟样机技术对于复杂产品的应用，要求设计者具有广泛的知识面，尤 其是对计算机技术、计算机辅助设计技术、数学方法要非常熟悉，并能够将专业 领域的知识综合到虚拟样机技术中。因此，产品的复杂程度、各学科的难度，以 及设计者本身知识面的情况，都将成为虚拟样机技术应用的制约因素，并将在一 定程度上影响虚拟结果的正确性和准确性。 ( 2 ) 在对复杂系统模型进行分析时受知识、技术的限制，通常要对模型进行 简化，忽略次要因素而得到近似模型，这对产品的性能分析有一定的影响，而且 所得的分析结果多是近似解，并不能百分之百反应现实的情况。因此，虚拟样机 的分析结果可以指导物理样机的制造，但不能取代物理样机。 ( 3 ) 对复杂产品的应用，其使用的工程数据库管理系统，数据模型复杂、数 据类型多样、交互性要求高，不一定有成熟的软件可供选择，这在一定程度上制 约了虚拟样机技术的应用。 ( 4 ) 建立一个整机水平的虚拟样机应用系统需要有强大的经济实力和人才资 源。 1 4 论文的研究内容 从分析虚拟样机技术的内涵及特点出发，将虚拟样机技术引入到某机动型平 面阵列雷达天线结构的设计分析中，主要进行以下方面的研究： 构建基于虚拟样机技术的理论框架，并建立针对某机动型平面阵列雷达天 线结构的设计分析平台。 根据设计内容，初步确定某机动型平面阵列雷达天线结构的设计方案，并 6 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 建立雷达天线结构的三维实体模型。 利用有限元分析软件对某机动型平面阵列雷达天线的骨架结构及骨架支 撑结构进行有限元分析。通过建立天线骨架结构和骨架支撑结构的三维实体几何 模型来建立有限元分析模型，分别分析有限元模型各部位的变形和应力情况，及 时发现设计缺陷，为确定机动型平面阵列雷达天线的最优设计方案提供参考。 利用机械系统动力学分析软件对某机动型平面阵列雷达天线的举升机构 进行动力学仿真，并对液压油缸进行参数化设计，实现安装支点位置的试验设计 分析。 第二章基于虚拟样机技术的雷达天线结构设计的总体框架 第二章基于虚拟样机技术的雷达天线结构设计的总体框架 2 1 基于虚拟样机技术的研发特征 虚拟样机技术【1 4 】是从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统 开发模式，它融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，是基于仿真 设计过程的技术。它包含数字物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真三方面的 内容。数字物理样机对应于产品的装配过程，不但强调结构上的设计，而且更重 视物理样机零部件的形态特性和系统装配特性的数字化检验。功能虚拟样机对应 于产品的分析过程，利用三维零件的实体模型和零件的动力学和运动学分析结果， 精确地预测产品的操作性能。虚拟工厂仿真对应于产品的制造过程，对产品完整 的制造和装配过程进行仿真。数字物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真联合 起来，提供了有效的方法实现从实体物理样机向软件虚拟样机的转化，从而有效 地支持虚拟产品的开发。 图2 1 虚拟样机系统理论框图 8 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 2 2 设计的总体框架 本文所研究的某机动型平面阵列雷达天线结构虚拟样机系统( 图2 1 ) 主要由 三维建模、力学仿真、动力学仿真三大系统组成，这三个系统又是基于知识库、 模型库、工具库、方法库这一平台之上，构成一个完整的虚拟样机系统。结合本 文实际，首先对平面阵列雷达天线结构进行建模及分析，采用p r o e 软件对雷达天 线结构进行三维建模，设计评审和干涉分析。然后通过p r o e 软件与a n s y s w o r k b e n c h 软件的无缝连接，将在p r o e 中建立的三维实体模型直接导入a n s y s w o r k b e n c h 进行静力学和动力学仿真分析，对产品开发中的结构进行验证，同时发 现缺陷，避免设计中存在的失误。接着利用a d a m s 软件中的a d a m s v i e w 模块对 平面阵列雷达天线的液压举升机构进行建模，并进行动力学仿真，然后，以液压 举升机构的液压油缸的安装支点位置为设计变量，以液压油缸的最大举升力为目 标函数，利用a d a m s i n s i g h t 模块进行多变量的运动学仿真分析，通过仿真分析的 结果得到安装支点位置与举升力之间的关系，为液压油缸的选择及安装位置提供 参考。 2 - 3 雷达天线结构虚拟样机实现策略 结合本文实际，虚拟样机技术应用于某机动型平面阵列雷达天线结构设计的 过程中，主要涉及以下关键技术： 2 3 1 虚拟造型技术 虚拟造型技术是以虚拟环境中的形状设计为主要研究内容，支持设计者在虚 拟环境中直接创建、修改和管理c a d 模型，包括虚拟实体造型、虚拟曲面造型、 虚拟特征造型和虚拟参数化造型。机动型平面阵列雷达天线结构的尺寸设计是否 正确、各部分变形和强度是否满足工程需要等对机动型雷达天线的运输要求和工 作性能有着直接的影响。因此，构造虚拟样机技术的第一步首先需要创建数字化 的天线结构模型。 在实际应用中，往往要综合多种建模方法的优点进行建模，而不是单纯使用 某一种建模方法。常用的设计思路主要分为“自上而下 和“自下而上 两种。“自 上而下 设计是针对传统的“自下而上 的设计而言的。所谓“自下而上”设计， 是先绘制零件图，再由零件组装部件，然后用零件和部件总装产品，这也是通常 采用的设计方法【1 5 1 。在本文中，考虑雷达天线结构的三维造型功能，结合产品的 结构特点，在结构分析时，利用p r o e 4 0 能与有限元分析软件进行无缝连接的特点， 第二章基于虚拟样机技术的雷达天线结构设计的总体框架 9 选择p r o e 4 0 作为c a d 建模软件，主要对雷达天线的骨架结构及骨架支撑结构进 行建模，采用“自上而下和“自下而上相结合的方法，另外，p r o e 4 0 除了具 有完美的3 d 建模功能，还具有协同设计功能，能够在所有团队成员之间共享数字 化产品数据，和业界标准数据格式兼容，能够与各种c a d 工具进行数据交换；在 动力学分析时，利用a d a m s 软件中的a d a m s v i e w 模块作为建模工具，主要对液 压举升机构进行建模，采用“白上而下 的设计方法。 2 3 2 有限元分析技术 有限元法自1 9 世纪6 0 年代正式作为一种数值分析方法出现在工程技术领域， 它借助计算机对各种结构和场问题进行近似计算分析。它用离散的概念，把一个 原来是连续的物体剖分为有限个单元，且又相互连接在有限个节点上，承受与实 际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件 把这些单元重新组合成整体进行综合求解l l 引。本文使用a n s y s l1 0 中的a n s y s w o r k b e n c h 平台来对雷达天线结构进行有限元分析。 2 3 3 仿真技术 仿真技术是验证和优化产品设计的重要阶段，它不仅仅用于产品设计阶段， 而且也能应用于整个产品生命周期，即将仿真与整个产品开发过程结合起来。在 产品设计阶段( 包括概念设计和系统设计) ，相关人员( 包括设计人员、决策人员、 制造人员等) 利用仿真建模工具、仿真运行工具、模型校验工具和评估分析及决策 支持工具，将设计任务所确定的产品在全生命周期后续的各个不同阶段的产品行 为指标作为设计目标，全面获取满足这些行为指标较优产品模型的方法。通过将 仿真全面应用于产品设计，使得相关人员在产品设计阶段即可获得产品在全生命 周期后续的各个不同阶段、在各种不同环境、在各种不同的操作下的产品行为， 从而在产品设计阶段就可能充分保证产品的制造要求、使用要求等。本文运用 a n s y sw o r k b e n c h 平台完成对雷达天线结构在运输状态和工作状态下的仿真运算， 对其刚度和强度进行校核；使用m s c a d a m s 2 0 0 5 完成对雷达天线液压举升机构 的动力学仿真，并对液压油缸进行参数化设计，完成液压油缸安装位置的试验设 计分析。 2 3 4 计算机网络技术 基于网络的协同设计才是机动型雷达天线结构虚拟样机的最终设计目标。所 有设计人员在不同地点，使用不同工作平台，通过不同的开发设计软件基于网络 1 0 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 协同设计雷达天线结构的虚拟样机。为了实现这个目标，需要构建局域网，需要 广域网的通讯技术支持。主要包括局域网构建技术、通讯技术等。 2 4 本章小结 本章简要介绍了基于虚拟样机技术的研发特征，并构建了某机动型平面阵列 雷达天线结构的虚拟样机系统的研究框架，为下面的具体操作定好框架。针对本 文实际，简要阐述了虚拟样机技术的实现策略。 第三章雷达天线结构设计内容及方案 第三章雷达天线结构设计内容及方案 3 1 雷达天线结构设计内容及主要设计指标 3 1 1 雷达天线结构设计内容 天线是实现接收和发射雷达电磁波的设备，是雷达整机系统的重要组成部分。 某机动型平面阵列雷达天线结构主要由行馈、反射板、支撑骨架、高频箱、同步 俯仰机构、液压举升机构等部分组成，其收、发、天馈元器件采用模块化、系列 化设计，各分系统结构采用集成化设计。其主要设计内容如下： ( 1 ) 行馈的设计 行馈采用空气板线、振子( 偶极子天线) 、玻璃钢外罩的结构形式。其封装采 用聚氨脂泡沫塑料发泡成型技术，使行馈成为密封的一体化结构体。 ( 2 ) 行馈间反射板的设计 反射板位于行馈之间，采用铝合金板材。 ( 3 ) 支撑骨架的设计 支撑骨架是天线阵面的安装基础，其变形对天线阵面的精度和平面度以及天 线的性能至关重要。 ( 4 ) 高频箱的设计 高频箱对称地分布在支撑骨架后面，内部装有大功率移相器、接收机和列馈 虚盘 于0 ( 5 ) 同步俯仰机构的设计 同步俯仰机构自动控制天线阵面的仰角，自动完成天线的架设和拆收。 ( 6 ) 液压举升机构的设计 液压举升机构用来将雷达天线举升到一定高度，来更有效的完成接收和发射 任务。 3 1 2 雷达天线的主要结构设计指标 天线阵面尺寸约为6 4 m x 2 3 m ；天线工作转速为3r m i n 、6r m i n 、1 2r m i r a 重量指标：天馈线元器件最大负荷1 2 4 5 k g ，发射元器件最大负荷7 8 5 k g ，天线骨 架( 含高频箱) 总重量1 4 5 0 k g ：天线工作仰角为8 0 度；天线阵面精度( 均方根值) 0 5 m m ；工作状态下，天线在3 0 m s 风速时最大变形4m m ；天线在3 6 m s 风 速时不出现塑性变形；天线工作时距离地面约8 m 。 1 2 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 3 2 雷达天线的结构设计方案 3 2 1 天线的组成及装配关系 天线的组成及装配关系如图3 1 所示，工作状态时，液压举升机构将雷达天线 举升至距离地面高约8 米的工作位置，一套自动控制的同步俯仰机构带动支撑骨 架上仰使天线阵面与水平方向呈8 0 度夹角。支撑骨架为整个天线的主要承力部件， 前面支撑天线阵面( 包括空气板线、u 形安装件、反射板等) 后面连接高频箱， 并通过背面的支耳、丝杆及销轴与天线座连接。天线由工作状态转入运输状态时， 自动控制的同步俯仰机构带动支撑骨架下降，使天线阵面沿车长方向放平。天线 阵面的行馈之间采用纵向一体的截止隔板作为反射体，支撑行馈固定在支撑骨架 上，不仅在行馈之间形成截止波导，而且提高行馈的刚度。 3 2 2 天线结构设计方案 图3 1 某机动型雷达天线结构图 雷达天线收、发、天馈分系统元器件密度大，结构复杂，要实现天线总体结 构设计的要求，需重点研究天线骨架的结构设计，尤其是支撑骨架的结构设计。 另外，还需注意收、发、天馈元器件的合理装配。 3 2 2 1 天线整体结构设计 空气板线采用复合材料制作：天线支撑骨架采用双悬臂形式，在结构上采用 第三章雷达天线结构设计内容及方案 1 3 截面形状为“槽型的薄板构件作为主承力梁，横梁与纵梁的连接采用焊接方式， 部分长焊缝采用密封铆接形式；支撑骨架和空气板线一托二连接并共同参与天线 受力，天线阵面不分块，运输时沿车长方向平置，无须折叠机构；高频箱的主受 力部件采用薄钢板折弯成型，结合支撑骨架的结构进行设计，其两侧有百叶窗供 通风散热；同步俯仰机构使用双丝杆完成天线的自动架设和拆收；举升机构采用 标准液压油缸完成任务。 3 2 2 2 重量设计 雷达的高机动性要求雷达天线的重量轻型化，而天线骨架的重量直接决定了 雷达天线的重量，这就使得天线骨架的重量问题尤为突出。天线骨架的重量、刚 度、强度取决于材料、设计和加工方法，且直接影响天线骨架的成本。为减轻天线 骨架的重量，提高天线骨架的荷重比，综合考虑以上因素的影响，同时满足系统 的设计要求，在结构设计上对天线支撑骨架采用截面形状为“槽型”的薄钢板构 件作为承力梁和辅助支撑梁，对高频箱采用薄钢板折弯成型为主受力部件。天线 骨架结构如图3 2 所示。 图3 2 雷达天线骨架结构图 除了对天线骨架的重量进行控制和优化外，还需在设计过程中考虑电讯设计 方案，合理确定收、发、天馈元器件的重量，尽可能的采用集成化设计，把能合 并的单元尽量合并，避免盒子套盒子1 1 7 1 。 3 2 2 3 元器件的装配设计 天线骨架内部装配有数量较多的收、发、天馈元器件。为了方便后期维修和减 少馈线系统的损耗，同时保证结构设计的刚、强度要求，所有的收、发、天馈元 1 4 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 器件必须合理布局以实现系统的基本功能。对元器件的装配采取以下基本设计方 法【1 7 】： ( 1 ) 对有源器件采用模块化、系列化设计，一般采用盲配插拔的结构形式，集成 安装到天线骨架的背面，器件维修插拔比较方便； ( 2 ) 对无源元器件也采用模块化、系列化的形式设计，一般安装到天线骨架的相 对深处，但能方便维修： ( 3 ) 对功耗元器件进行强迫通风散热；对发热较小的元器件通过天线骨架传导散 热，保证元器件有良好的散热和使用环境。 3 2 2 4 防护设计 防护是一个复杂的系统工程，单一的防护工艺很难排除不良设计的影响，只有 从设计开始采取措施，才能为防护难题找到更好的解决办法。结构设计的合理性 是解决电子设备的金属防护，提高电子设备可靠性的重要途径之一。因此，在机 构设计时要根据设计要求合理确定材料，选用合适的密封方式；在结构设计上， 尽量消除缝隙、尖角结构，避免结构死角，对暴露在外的构件，应避免积水；在 加工工艺上，尽量选择合适的焊接方式；对室外的馈线器件，在做好防水设计的 同时，一定要避免不良密封。 3 2 2 5 加工工艺措施 该雷达天线骨架是由许多“槽型薄钢板构件焊接而成，焊接后难免产生变 形和应力。因此，在设计天线骨架结构时要注意防止或减小焊接变形【l 列： ( 1 ) 在可能的情况下，尽量减少焊缝数量，减小焊缝长度和焊缝截面积； ( 2 ) 结构中所有焊缝应尽量对称，避免集中和交叉； ( 3 ) 对大型结构或复杂形状，尽可能分成部件焊接，以方便焊接、装配和检验； ( 4 ) 合理安排焊接的先后次序，使各处焊缝产生的变形相互抵消或消弱。在结构 上相互对称或近似对称的焊缝，在对称两边同时进行焊接或两边交替进行焊接； ( 5 ) 对于长焊缝采取逆向分段焊接。 3 3 本章小结 本章首先简要地介绍了某机动型平面阵列雷达天线结构设计内容及主要结构 设计指标，对天线的整体结构设计作了简单的阐述。其次，围绕天线结构的总体 质量要求提出相应的设计方案。最后，针对天线结构的防护和焊接工艺问题，提 出相应的在结构设计方面的处理措施。 第四章雷达天线结构的有限元分析 1 5 第四章雷达天线结构的有限元分析 4 1 有限元法的基本思想和分析过程 有限元法，也称为有限单元法或有限元素法，其基本思想是将连续的求解区 域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。物体被离散 为更小的单元后，通过对各个单元进行分析，把单元分析结果组合就得到对整个 分析对象结构的分析。它的具体做法是：首先，假想把连续体分割( 离散化) 成数目 有限的小块体( 称为有限单元或简称单元) ，彼此间只在数目有限的指定点( 称为节 点或结点) 处相互连接，组成一个单元的集合体以代替原来的连续体；又在节点上 引进等效力以代替实际作用于单元上的外力。其次，对于每个单元根据分块近似 的思想，选择个简单的函数来近似地表示其位移分量的分布规律，并按弹塑理 论中的变分原理建立单元节点力和位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特 性关系集合起来，就得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，由这个方程组 就可以求出物体上有限个离散节点上的位移分量。有限元法实质上就是把具有无 限个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为 适合于数值解法的结构型问题【1 9 】【2 3 1 。 有限元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤【2 0 1 1 2 1 】【冽： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元法分析的第一步，它是有限元法分析中重要的一步， 关系到计算精度与计算效率。离散化的过程就是将分析的结构划分成有限个小的 单元体，单元与单元、单元与边界之间通过节点连接。结构离散化后求解的问题 就转变为求有限个自由度的节点位移。有限元法计算精度取决于划分单元的形状、 大小、数量和分布情况，通常划分的单元愈多、愈密集、也就愈能反映实际结构 状况，计算精度愈高，但计算工作量增大，计算时间增长。因此必须两方面兼顾， 在满足计算精度的要求下，尽可能使单元数少。 ( 2 ) 位移模式的选择 在完成结构的离散化后，接着对得到的单元进行特性分析。用节点位移表示 单元体的位移、应变和应力，必须先对单元中位移的分布作出一定的假设，也就 是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。位移 模式的选择是有限元分析中的关键。多项式的数学运算比较方便，并且从所有光 滑函数的局部来看都可以用多项式逼近，因此，在有限元分析中普遍选择多项式 作为位移模式，多项式的项数通常等于单元的自由度数，其阶次通常包含常数项 1 6 基于虚拟样机技术的某机动型雷达天线结构设计 和线性项。根据所选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点位 移的关系式，其矩阵形式是： 扩) = 【弦 。 式( 4 1 ) 式中沙) 为单元内任一点的位移列阵；p 广为单元的节点位移列阵；【】称为形函 数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ( 3 ) 单元力学特性的分析 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。它包括下面三部分内 容： 利用几何方程，由位移表达式( 3 1 ) 导出用节点位移表示单元应变的关系式： p ) = 陋】p 。 式( 4 2 ) 式中p 为单元内任一点的应变列阵；陋】称为应变矩阵，它的元素是由单元节点的 坐标算出。 利用物理方程，由应变表达式导出用节点位移表示单元应力的关系式： p ) = 陋p 弦 。 式( 4 3 ) 式中p 为单元内任一点的应力列阵：【d 】称为弹性矩阵，它与单元材料有关。 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式，即单 元的刚度方程： 扩 。= 陆 p 式( 4 4 ) 式中k j 称为单元刚度矩阵，可以导得： 瞳】= 胪 2 【d p 蜘 式( 4 5 ) 上式的积分应遍及整个单元的体积。 ( 4 ) 等效节点力的计算 弹性体经过离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但 是作为实际的连续体，力是通过公共边界传递到另一个单元的。因此，这种作用 在单元边界上的表面力和作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节 点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按 照作用在单元上的力与等效节点力，在任何虚位移上的虚功都相等的原则进行的。 ( 5 ) 建立整个结构的平衡方程 集合的过程包括两方面的内容。一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体 的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。 第四章雷达天线结构的有限元分析 1 7 一般来说，集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共结点处的位移相等。 由此可得到以整体刚度矩阵k 】、整体载荷列阵扩) 以及整体的节点位移列阵p 表 示的整个结构的平衡方程为： k ) = 扩 式( 4 6 ) 这些方程还应在考虑几何边界条件并作适当的修改之后，才能够解出所有的 未知节点位移。 ( 6 ) 节点位移的求解和单元应力的计算 整体结构的平衡方程是以整体刚度矩阵为系数的线性代数方程组，解这个方 程组可以得到未知的节点位移。然后，利用式( 4 3 ) 计算任一单元及节点处应变及应 力等，并加以整理得出所要求的结果。 4 2 雷达天线结构的有限元分析 雷达天线的结构设计归根结底是要满足天线的电讯性能要求，而天线电讯性 能的好坏与天线阵面精度密切相关。该机动型平面阵列雷达天线的支撑骨架是天 线阵面的基础，支撑骨架的机械性能决定了天线阵面的精度。另外，雷达天线的 支耳、丝杠、天线座等构件组成骨架支撑结构与雷达天线的支撑骨架结构共同组 成了天线阵面的支撑结构，是雷达天线的重要组成部分，对雷达天线的机械性能 有重要的影响。 本文在有限元分析时，将雷达天线的结构分成两部分单独进行分析，一是将 天线阵面、天线支撑骨架、高频箱等结构作为一个整体进行天线骨架结构分析； 二是将天线的支耳、丝杠、天线座等支撑构件作为一个整体进行天线骨架支撑结 构分析。 4 2 1 雷达天线骨架结构的有限元分析和计算 4 2 1 1 有限元模型的建立 整个有限元分析计算的内容包括静态分析和模态分析，它们都是建立在有限 元模型的基础上，分析结果的正确性与模型的建立密切相关。 雷达天线结构分析的重点是对天线支撑骨架结构的设计分析，因此，在建模 时重点考虑雷达天线支撑骨架结构有限元模型的建立，而将阵面行馈及其中元器 件和高频箱及内部元器件均看作一个整体，作为载荷来考虑。 本文根据初步确定的天线结构系统方案，在p r o e 软件中建立雷达天线骨架结 构的几何模型，然后利用p r o e 与a n s y sw o r k b e n c h 的无缝