某車載雷達(dá)天線座支座焊接結(jié)構(gòu)的工程分析與研究

劉薇娜 ，常豐吉 ，李玉軍 ，錢雨松 ，吳玉彬 ，田興志

(1.長春理工大學(xué)，吉林 長春 130022；2.滕州高級技工學(xué)校，山東 滕州 277500；3.長春光華微電子設(shè)備工程中心有限公司，吉林 長春 130033；4.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

0 前言

某車載雷達(dá)天線座（見圖1）是支撐雷達(dá)天線對目標(biāo)進行探測跟蹤的裝置。通過雷達(dá)天線座伺服控制系統(tǒng)，使雷達(dá)天線按照預(yù)定的規(guī)律運動或者跟隨目標(biāo)運動，準(zhǔn)確地指向目標(biāo)，并且通過它能精確測出目標(biāo)的方向[1]。

某車載雷達(dá)天線座是雷達(dá)天線和發(fā)射機、接收機的載體。它由俯仰系統(tǒng)、方位系統(tǒng)和基座構(gòu)成?；ㄟ^起臥軸完成工作狀態(tài)與運輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在車載雷達(dá)天線座的俯仰系統(tǒng)上，安裝有天、饋線及俯仰箱體（內(nèi)裝發(fā)射機、接收機），并帶動這些設(shè)備一起做方位與俯仰運動。某車載雷達(dá)天線座內(nèi)部裝的方位水關(guān)節(jié)、俯仰水關(guān)節(jié)、電纜卷繞機構(gòu)，同時為天、饋線系統(tǒng)及發(fā)射機、接收機提供電信號及冷卻水。

圖1 某車載天線座結(jié)構(gòu)示意

某車載天線座在液壓油缸的作用下，通過起臥軸將方位軸、俯仰軸和天線等放倒在雷達(dá)載車的車廂上，為運輸狀態(tài)；也可以將天線座豎立位置，為工作狀態(tài)。

制動支座和驅(qū)動支座在天線座上起著非常重要的作用，是俯仰系統(tǒng)上的軸承座。由于雷達(dá)天線座的精度比較高，因此，車載雷達(dá)天線座對支座的強度、剛度、穩(wěn)定性和質(zhì)量等都提出了較高的要求。

1 支座結(jié)構(gòu)形式

大型結(jié)構(gòu)件基本采用兩種結(jié)構(gòu)形式即可達(dá)到精度指標(biāo)，即鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)。

以往的高精度大型框架結(jié)構(gòu)件多采用鑄造成形，由于鑄件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，容易保持大型框架結(jié)構(gòu)件的精度。受當(dāng)前鑄造工藝水平的限制，較大的框架結(jié)構(gòu)件一般壁厚在10 mm以上，鑄造出的零件都質(zhì)量較大，使得相應(yīng)的軸承和軸承座等部件的承載能力要增加許多，伺服電機驅(qū)動力也要增大的，導(dǎo)致設(shè)備整體結(jié)構(gòu)較大，機械加工制造以及裝配都比較困難，使設(shè)備的成本增加。經(jīng)過進行相應(yīng)的有限元分析和計算，得出增加壁厚有時對增加剛度的影響較小，但對增加質(zhì)量的影響很大，但是，同樣的剛度因為截面形狀不同其質(zhì)量會差別很大。因此，應(yīng)該找到一種即能滿足系統(tǒng)的強度和剛度的需求，又能使其質(zhì)量減輕，并且有利于進行機械加工制造的焊接結(jié)構(gòu)的具體形式。

焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：

（1）鋼板材料的彈性模量、切變彈性模量分別是鑄鐵的 1.3～1.7 倍和 1.8 倍，因而在保證等剛度的前提下，焊接結(jié)構(gòu)可比鑄造結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量40%以上[2]。

（2）鑄件壁厚不能太小，相鄰壁厚差別不能懸殊太大。一般鑄造件內(nèi)部筋板的壁厚在10mm以上，而焊接結(jié)構(gòu)一般取為6～10 mm，減少了較多不必要的質(zhì)量。

（3）焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由性比較大，可以設(shè)計出的密閉式箱體結(jié)構(gòu)形式，其強度和剛性比較大，并且固有頻率比單層壁可增大2～5倍[3-4]。

通過上述分析得知，焊接結(jié)構(gòu)件采用了密閉、對稱結(jié)構(gòu)形式，可以使得焊接應(yīng)力和變形比較小。只要焊接件采用對稱結(jié)構(gòu)形式，并加以相應(yīng)的時效處理等措施，就能保證焊接結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性。

3 支座的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

在俯仰系統(tǒng)中，驅(qū)動支座和制動支座分別是俯仰軸系的左、右兩個軸承座，承擔(dān)著中心架、雷達(dá)天線和外掛箱體等質(zhì)量，這就要求驅(qū)動支座和制動支座剛度大，又因為它們安裝在方位系統(tǒng)上，要求它們的質(zhì)量必須輕，因此設(shè)計時，既要充分考慮到驅(qū)動支座和制動支座的強度和剛度要求，又要考慮方位電機的功率和力矩等參數(shù)。驅(qū)動支座和制動支座采用三層薄鋼板+夾層鋼板焊接形成封閉箱體來代替單層厚鋼板，從而在保證強度和剛度的前提下，減輕它們的質(zhì)量。

三層薄鋼板+夾層鋼板的封閉箱體的結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想是在三層薄鋼板中間分別夾一層薄鋼板焊接成封閉箱體來代替厚鋼板，同時下面與鋼板、上面與鍛件焊接在一起。比較面積和質(zhì)量相同的三層薄鋼板+夾層薄鋼板的封閉箱體和厚鋼板，封閉箱體的抗彎剛度、抗扭剛度、抗壓剛度明顯大于單層厚鋼板，因此，在相同表面積、抗彎剛度、抗扭剛度以及抗壓剛度的封閉箱體要比單層厚鋼板的質(zhì)量輕。因此，車載雷達(dá)天線座俯仰系統(tǒng)上的驅(qū)動支座和制動支座采用這種焊接結(jié)構(gòu)，既可以減小質(zhì)量，又能獲得較好的剛度效果。

驅(qū)動支座由驅(qū)動支座上蓋和驅(qū)動支座底座組成，其中驅(qū)動支座上蓋是半圓鍛件，與驅(qū)動支座底座上的半圓鍛件合為一個整圓鍛件，然后分開，半圓鍛件與鋼板焊接成驅(qū)動支座底座，最后驅(qū)動支座上蓋和驅(qū)動支座底座組合加工；制動支座與驅(qū)動支座類似，只是加工的腔體不同：驅(qū)動支座里面裝有力矩電機等，而制動支座里裝有制動機構(gòu)等。

驅(qū)動支座底座的三層板+夾層板的封閉箱體的結(jié)構(gòu)的具體形式如圖2所示。

圖2 驅(qū)動支座底座的三層板+夾層板的封閉箱體的結(jié)構(gòu)

4 支座的有限元分析

利用三維設(shè)計軟件UG建立焊接結(jié)構(gòu)件，即驅(qū)動支座和制動支座的三維模型，同時通過計算機進行有限元分析，實現(xiàn)對驅(qū)動支座和制動支座進行優(yōu)化設(shè)計，并計算出驅(qū)動支座和制動支座的變形，改變了原來通過傳統(tǒng)必須依靠實物模型進行研究的形式，因此，有限元分析降低了結(jié)構(gòu)焊接件設(shè)計的技術(shù)風(fēng)險和設(shè)計成本[5-6]。

驅(qū)動支座和制動支座均采用16Mn鋼，其屈服極限為 345MPa，抗拉強度 510～600MPa，彈性模量為207GPa，泊松比 0.3[2]。

根據(jù)驅(qū)動支座和制動支座所承受的載荷和邊界條件，以及材料的彈性模量和泊松比，對支座進行有限元分析，如圖3所示，得知在節(jié)點26682處變形最大，為0.464mm，節(jié)點 24987處變形最小，為0.302mm，都在設(shè)計要求的剛度和變形范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

根據(jù)制動支座和驅(qū)動支座的具體結(jié)構(gòu)和有限元分析結(jié)果可以看出，支座的設(shè)計完全滿足天線座的使用要求。通過實際的工程證明，采用三層板+夾層板的封閉箱體代替厚鋼板完全滿足設(shè)計和使用要求。

圖3 制動支座和驅(qū)動支座有限元分析

[1]吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[2]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3]張景旭.大型跟瞄架方位軸系的研制[J].光學(xué)精密工程，1996，4（2）：73-77.

[4]郭 勁，張景旭.大型光電跟蹤架采用焊接結(jié)構(gòu)的工程分析與研究[J].光學(xué)精密工程，1996，4（4）：60-67.

[5]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[6]陳火紅.MSC.Patran/Marc培訓(xùn)教程和實例[M].北京：科學(xué)出版社，2004.