某雷達(dá)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

錢 凱

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某雷達(dá)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

錢 凱

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

固態(tài)發(fā)射機(jī)易維護(hù)、連續(xù)工作時(shí)間長、占用空間小、自重輕，它是新一代機(jī)載氣象雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)。文中探討了一種新型機(jī)載固態(tài)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。從多種設(shè)計(jì)角度研究發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，滿足發(fā)射機(jī)的使用條件和設(shè)計(jì)需求。采用三維設(shè)計(jì)軟件，詳細(xì)設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)，對(duì)主要受力部件進(jìn)行力學(xué)有限元分析，并修改局部結(jié)構(gòu)外形，以提高性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)滿足使用要求，為今后新型發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)完整的解決方案。

固態(tài)發(fā)射機(jī)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；ANSYS

引 言

近年來隨著微波半導(dǎo)體技術(shù)的不斷更新，機(jī)載氣象雷達(dá)大量采用固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)。機(jī)載氣象雷達(dá)是一種觀測(cè)飛機(jī)航線上大氣運(yùn)動(dòng)的雷達(dá)。當(dāng)航線上突然出現(xiàn)危險(xiǎn)氣象，機(jī)載氣象雷達(dá)可及時(shí)提醒飛機(jī)駕駛?cè)藛T，保證機(jī)上人員生命安全。另外通過多個(gè)機(jī)載氣象雷達(dá)組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)可以有效提高對(duì)突然出現(xiàn)的氣象災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警的反應(yīng)時(shí)間，使受災(zāi)地區(qū)的人員和財(cái)物及時(shí)轉(zhuǎn)移。目前世界上所有大中型飛機(jī)都安裝各種氣象雷達(dá)，以便飛機(jī)能夠全天候安全飛行。

根據(jù)機(jī)載氣象雷達(dá)的工作環(huán)境和指標(biāo)要求，采用的發(fā)射機(jī)需要具備連續(xù)工作時(shí)間長、低電壓低負(fù)載、性能穩(wěn)定、維修時(shí)間短、占用空間小、自重輕等優(yōu)點(diǎn)。與真空管發(fā)射機(jī)相比，固態(tài)發(fā)射機(jī)在以上方面有很大優(yōu)勢(shì)。

國外機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)展，從最初的單脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)逐步發(fā)展成現(xiàn)在的脈沖多普勒雷達(dá)發(fā)射機(jī)，美國的ARINC 708A設(shè)計(jì)規(guī)范是世界通用標(biāo)準(zhǔn)。市場(chǎng)上較為先進(jìn)的機(jī)載氣象雷達(dá)有柯林斯公司的WXR-2100型雷達(dá)和霍尼韋爾公司的RDR-4000型雷達(dá)，兩者均使用固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)[1]。

國內(nèi)機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)起步較遲，我國的機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)與先進(jìn)國家相比存在較大差距。近年來，出于發(fā)展航空的目的，國內(nèi)對(duì)機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)的投入逐步增大。該發(fā)射機(jī)采用微波功率模塊，采用通用化、輕量化和抗振技術(shù)，是為適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展的需要而設(shè)計(jì)的高可靠性、長壽命周期的機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)。

1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

該型發(fā)射機(jī)采用固態(tài)發(fā)射模式，由兩個(gè)鏡像的發(fā)射組件構(gòu)成，每個(gè)發(fā)射組件包括前級(jí)功率放大器、末級(jí)功率放大器、功率分配器/合成器、控制保護(hù)電路、調(diào)制電路等部分組成。發(fā)射機(jī)內(nèi)部布局見圖1。發(fā)射機(jī)通過ARINC 600插座輸入信號(hào)及供電，采用同軸波導(dǎo)合成器合成輸出，輸出端口為標(biāo)準(zhǔn)BJ100波導(dǎo)。外形尺寸不超過90 mm×300 mm×280 mm(寬×深×高)，質(zhì)量不超過7.5 kg。

圖1 發(fā)射機(jī)內(nèi)部布局

1.1 發(fā)射機(jī)的工業(yè)造型設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，發(fā)射機(jī)作為一個(gè)獨(dú)立的可更換單元安裝在天線座中。在方案設(shè)計(jì)階段做好外觀設(shè)計(jì)，可使雷達(dá)各部分間協(xié)調(diào)統(tǒng)一，簡潔大方，并富有時(shí)代氣息。工業(yè)造型設(shè)計(jì)時(shí)先對(duì)整體形象進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)，使用計(jì)算機(jī)制作三維外觀效果圖，對(duì)局部的風(fēng)格、形態(tài)、尺寸比例、色彩等進(jìn)行設(shè)計(jì)和完善，選擇外形優(yōu)美的材料和工藝，設(shè)計(jì)銘牌、標(biāo)識(shí)等，制作發(fā)射機(jī)模型，確定發(fā)射機(jī)造型方案[2]。參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品，根據(jù)機(jī)載雷達(dá)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)外形如圖2所示。

圖2 發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)外形

該結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)機(jī)殼上安裝不銹鋼把手和快速鎖緊/解鎖裝置，把手交錯(cuò)布置，充分考慮人體工程學(xué)，使操作和維修難度小，設(shè)備易維修；

2)發(fā)射機(jī)機(jī)殼避免尖銳棱角，與其他單元一致，體現(xiàn)造型的統(tǒng)一性，局部使用圓弧過渡，在形狀相似的基礎(chǔ)上增加不同特點(diǎn)，互相襯托，產(chǎn)生對(duì)比感，使造型更加生動(dòng)，具有視覺美感，同時(shí)也保證發(fā)射機(jī)維修安全性；

3)發(fā)射機(jī)機(jī)殼采用一體化設(shè)計(jì)，由兩部分焊接而成，焊接部分在機(jī)殼內(nèi)部，避免外形上出現(xiàn)多余線條，也增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度；

4)發(fā)射機(jī)蓋板的固定螺釘凹進(jìn)蓋板安裝，避免造型被螺釘分割，體現(xiàn)造型的統(tǒng)一；

5)減少對(duì)外接口，減小發(fā)射機(jī)體積，并使機(jī)殼外形更加完整；

6)按雷達(dá)的要求，選擇合適的機(jī)殼顏色，把手采用合適的電鍍涂覆工藝，在適當(dāng)位置安裝醒目的黑色銘牌。

1.2 發(fā)射機(jī)的輕型化和加固設(shè)計(jì)

根據(jù)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的需求，發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要合理安排元器件布局，盡量縮小發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)殼進(jìn)行輕型化設(shè)計(jì)。按照一般思路可將發(fā)射機(jī)拆分為兩個(gè)獨(dú)立組件，每個(gè)組件有獨(dú)立的風(fēng)冷翅片與風(fēng)道，組件之間采用螺釘固定。這種方案只考慮了加工的方便與否，兩個(gè)組件之間的安裝面厚度有很大冗余，還增加了機(jī)殼外形尺寸，造型上不美觀。參考鋁合金機(jī)箱的釬焊方式，對(duì)機(jī)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，劃分為兩部分，之間采用焊接結(jié)構(gòu)形式，散熱翅片和隔板焊接前事先定位，焊接完畢后對(duì)殼體進(jìn)行精加工。如圖3所示。

圖3 發(fā)射機(jī)的殼體毛坯結(jié)構(gòu)外形

該方案的機(jī)殼外部無多余接縫，充分利用機(jī)殼空間，與原有方案相比體積和重量得到控制，達(dá)到良好的電磁屏蔽和“三防”效果，發(fā)射機(jī)具有良好的可維修性。機(jī)殼的兩塊蓋板為鋁合金材質(zhì)，為保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)行整體銑削加工。內(nèi)部有加強(qiáng)筋和密封槽。發(fā)射機(jī)中質(zhì)量大于5 g或引線外徑小于0.3 mm的元器件，用輔助的卡箍固定，或?qū)⑵骷w灌封成模塊。發(fā)射機(jī)內(nèi)盡量不用可調(diào)元器件，必須使用時(shí)，應(yīng)有可靠的鎖緊措施。使用螺釘、螺栓等緊固件時(shí)，應(yīng)采用防松措施，在鋁合金上不宜直接加工螺紋，采用普通型有折斷槽鋼絲螺套。發(fā)射機(jī)與天線座的固定采用定位銷與松不脫螺釘形式，其耐振動(dòng)沖擊性能已在長期使用過程中得到驗(yàn)證。

1.3 發(fā)射機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)

雷達(dá)設(shè)備的電磁干擾源可分為自然干擾源和人為干擾源。本發(fā)射機(jī)所處工作條件相當(dāng)惡劣，內(nèi)部元器件安裝緊湊，并與其他機(jī)載設(shè)備一起緊密地安裝在機(jī)體內(nèi)，內(nèi)部電磁干擾相當(dāng)嚴(yán)重，有連續(xù)波干擾源、瞬態(tài)干擾源和非線性現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾源。應(yīng)重視電磁兼容設(shè)計(jì)，抑制發(fā)射機(jī)本身產(chǎn)生的干擾。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)主要從屏蔽和接地兩方面來提高發(fā)射機(jī)的電磁兼容性[3]。

發(fā)射單元?dú)んw設(shè)計(jì)時(shí)，選用鋁合金材料，除因維修需拆卸的蓋板可用螺釘連接外，其余采用焊接的結(jié)構(gòu)形式。蓋板與殼體接合處重疊面積大，有足夠的縫隙尺寸；相鄰螺釘?shù)拈g距與螺釘?shù)耐鈴健⒖闺姶鸥蓴_襯墊壓縮量等相匹配，有足夠小的縫隙寬度。蓋板與殼體貼合面和元器件在機(jī)殼上的貼合面加裝抗電磁干擾襯墊，使電連接不間斷。貼合面使用易導(dǎo)電、有彈性、具有最小的寬厚比的抗電磁干擾襯墊，形成可靠的電氣連接。嚴(yán)格控制箱體和蓋板上的開口、孔洞、縫隙的數(shù)量、位置、大小和外形，并采用特殊的抗電磁干擾材料和選擇合適的外形，減小對(duì)屏蔽性能的影響。在結(jié)構(gòu)布局時(shí)，高電平模塊及數(shù)字電路模塊遠(yuǎn)離低電平模塊或在其間采取屏蔽隔離措施。干擾源與易受干擾的電路傳輸線的布線要隔離。為避免腔體效應(yīng)，增加隔墻將電路隔離開[3]。

2 發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如前所述，發(fā)射機(jī)的殼體采用焊接技術(shù)，殼體由兩個(gè)主體部分組成，兩部分之間通過鋁螺釘固定，焊接部位布置于殼體內(nèi)部，散熱翅片和隔板焊接前事先定位，焊接完畢后對(duì)殼體進(jìn)行精加工，如圖3所示。該方案的機(jī)殼外部無多余接縫，充分利用機(jī)殼空間，達(dá)到良好的電磁屏蔽和“三防”效果，發(fā)射機(jī)具有良好的可維修性。

機(jī)殼的兩塊蓋板為鋁合金材質(zhì)，為保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)行整體銑削加工。內(nèi)部有加強(qiáng)筋和密封槽。圖4為蓋板外形示意圖。

圖4 蓋板外形示意圖

在建立機(jī)殼所有零部件模型后，將其組合安裝。安裝時(shí)遵循以下原則：先安裝殼體，后安裝附屬零件，最后安裝固定件。為避免機(jī)殼裝配關(guān)系混亂的情況發(fā)生，可采用Top-down技術(shù)建立發(fā)射機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系。零部件具體設(shè)計(jì)前，首先創(chuàng)建機(jī)殼組件，并按照零部件所屬關(guān)系掛接下屬零部件。圖5為完成裝配的機(jī)殼示意圖。

圖5 機(jī)殼示意圖

3 殼體的有限元分析

發(fā)射機(jī)殼體是發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)主體，它是發(fā)射機(jī)內(nèi)所有元器件的安裝平臺(tái)。因?yàn)橐惺馨l(fā)射機(jī)內(nèi)外的大部分載荷，因此要求殼體滿足發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)布局需求、結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、能承受一定的壓力和變形。

3.1 殼體模型的靜力分析

因?yàn)橐咽褂肞ro/ENGINEER軟件建立機(jī)殼的三維模型，可簡化模型后導(dǎo)入ANSYS軟件。根據(jù)工作情況，對(duì)殼體的局部做以下修改和變更：去除對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大的部分，如散熱翅片、所有的元器件固定孔、腔體內(nèi)的部分小平面、內(nèi)部隔墻上的缺口以及小凸臺(tái)。

由于ANSYS Workbench自帶的材料庫里包括鋁合金材料，設(shè)計(jì)師可以直接調(diào)用鋁合金的材料屬性?？紤]到工程實(shí)際情況，發(fā)射機(jī)殼體采用自動(dòng)劃分法劃分網(wǎng)格，見圖6。

圖6 已劃分網(wǎng)格的殼體

按照設(shè)計(jì)要求與工程實(shí)際，對(duì)殼體施加重力加速度、75 N力載荷以及多處固定約束。如圖7所示。

圖7 已施加載荷與約束的殼體

對(duì)殼體的求解結(jié)果中，選取等效應(yīng)力(Equivalent Stress)、總體變形(Total Deformation)為結(jié)果對(duì)象。等效應(yīng)力、總體變形分布云圖如圖8所示。最大應(yīng)力未超過殼體的許用應(yīng)力，機(jī)殼變形未出現(xiàn)較大的變形突變區(qū)域。因此，從整體上看，機(jī)殼結(jié)構(gòu)達(dá)到所需強(qiáng)度指標(biāo)。

圖8 等效應(yīng)力與總體變形分布云圖

3.2 殼體模型的模態(tài)分析

一個(gè)多自由度線性系統(tǒng)擁有與自由度數(shù)目相同的固有頻率。系統(tǒng)的每種固有頻率均有相應(yīng)的振型及其他振動(dòng)特性，統(tǒng)稱模態(tài)。模態(tài)分析是分析系統(tǒng)關(guān)于振動(dòng)的固有特性的過程，是譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析的前置步驟。

因?yàn)樵撔桶l(fā)射機(jī)安裝位置在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)，應(yīng)滿足一定的振動(dòng)條件。詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過模態(tài)分析確定發(fā)射機(jī)中關(guān)鍵部件的固有振動(dòng)特性，以避免關(guān)鍵部件在實(shí)際使用時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象，從而確保發(fā)射機(jī)正常工作并減少振動(dòng)和噪聲。

ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行模態(tài)分析的一般步驟為：建立有限元模型；設(shè)定材料屬性，定義接觸對(duì)，不施加外載荷，劃分網(wǎng)格；求解并查看結(jié)果[4]。

殼體在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，只研究自由振動(dòng)條件下的振動(dòng)情況。圖9～圖14是殼體初始模型的前六階固有頻率和振型。

圖9 殼體一階固有頻率和振型(659.97 Hz)

圖10 殼體二階固有頻率和振型(686.84 Hz)

圖11 殼體三階固有頻率和振型(1369 Hz)

圖12 殼體四階固有頻率和振型(1402.4 Hz)

圖13 殼體五階固有頻率和振型(1436.9 Hz)

圖14 殼體六階固有頻率和振型(1453.1 Hz)

分析殼體前六階固有頻率和振型云圖，可以直觀地發(fā)現(xiàn)發(fā)射機(jī)殼體中部是振動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)。這是因?yàn)闅んw中部大量區(qū)域?yàn)闆]有加強(qiáng)筋的平面，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低。出于布線的需要，平面上無法布置加強(qiáng)筋，但會(huì)增加零件以加強(qiáng)薄弱區(qū)域的結(jié)構(gòu)。

3.3 殼體的改進(jìn)設(shè)計(jì)及分析

殼體作為發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)主體，其質(zhì)量和剛強(qiáng)度對(duì)發(fā)射機(jī)的振動(dòng)特性有很大影響。下面參考減重因素，對(duì)殼體做改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元分析。具體改進(jìn)：降低殼體局部壁厚，在局部位置增加減重槽，如圖15所示。

圖15 修改的殼體示意圖

圖16～圖21是改進(jìn)后殼體的前六階固有頻率和振型。圖22是改進(jìn)后殼體的等效應(yīng)力與總體應(yīng)變?cè)茍D。

圖16 改進(jìn)后殼體一階固有頻率和振型(654.02 Hz)

圖18 改進(jìn)后殼體三階固有頻率和振型(1364.3 Hz)

圖19 改進(jìn)后殼體四階固有頻率和振型(1398.7 Hz)

圖20 改進(jìn)后殼體五階固有頻率和振型(1418.9 Hz)

圖21 改進(jìn)后殼體六階固有頻率和振型(1477 Hz)

圖22 改進(jìn)后殼體的等效應(yīng)力與總體變形分布云圖

由圖可見，改進(jìn)后殼體的質(zhì)量為3.02 kg，比原來減輕6.4%，固有頻率略有下降，而殼體的等效應(yīng)力與總體變形基本無變化，剛強(qiáng)度未受影響。綜合考慮雷達(dá)對(duì)發(fā)射機(jī)質(zhì)量和振動(dòng)指標(biāo)的要求，認(rèn)為改進(jìn)后殼體是較好的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)束語

本文主要探討一種機(jī)載氣象雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)發(fā)射機(jī)的需求，從多個(gè)方面對(duì)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行論證，提出較理想的解決方案。根據(jù)有限元法的基本理論，采用ANSYS Workbench軟件對(duì)作為發(fā)射機(jī)關(guān)鍵部件的殼體進(jìn)行力學(xué)分析和減重設(shè)計(jì)，保證了發(fā)射機(jī)的剛強(qiáng)度要求，完善原有設(shè)計(jì)方案，提高了發(fā)射機(jī)指標(biāo)。

[1] 蔣慶全. 民用機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)展評(píng)述[J]. 電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論, 2004(4): 39-46.

[2] 張鄂, 買買提明. 現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

[3] 陳淑鳳, 馬蔚宇, 馬曉慶. 電磁兼容設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2001.

[4] 紀(jì)?；? Ansys Workbench在卡扣裝配分析中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2008(8): 48-49, 131.

錢 凱(1980-)， 男，工程師，主要從事固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of a Radar Transmitter

QIAN Kai

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Solid-state transmitter has advantages of easy maintenance, long continuous working time, small cubage and light weight. It is the key technology of the new generation of airborne weather radars. The structural design of a new airborne solid-state transmitter is presented in the paper. The structure scheme of the transmitter is investigated from many perspectives of the design, which meets the application conditions and the design requirements. The modular and custom-built transmitter is realized using a three-dimensional parametric design software, and the structure of the transmitter is shown in detail. The main forced components of the transmitter are analyzed in mechanical finite element design, and the local structure shape is modified to improve performance. The designed transmitter meets the application performance requirements, and provides a reference for the design of future new generation transmitters.

solid-state transmitter; parametric design; ANSYS

2014-02-24

TN957.8+3

A

1008-5300(2014)04-0042-05