基于ANSYS Workbench的雷達(dá)天線折疊升降機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

何軍

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，南京210013）

0 引言

某車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件之一是其雷達(dá)天線折疊升降機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，通過(guò)折疊升降系統(tǒng)把雷達(dá)天線從艙內(nèi)升至艙外工作位置，置于雷達(dá)車(chē)體平臺(tái)之上；不工作時(shí)將雷達(dá)天線下降到艙內(nèi)固定。該系統(tǒng)既可以增強(qiáng)雷達(dá)的隱蔽性，又可以提高雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性［1］。

一般情況下，雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)將受到風(fēng)荷、載體振動(dòng)等隨機(jī)載荷作用或者受到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)，雷達(dá)天線系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生振動(dòng)，天線旋轉(zhuǎn)時(shí)相當(dāng)于一個(gè)重載的物體在平臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，所以天線系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性對(duì)車(chē)載雷達(dá)工作的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性有很大影響，天線系統(tǒng)的固有頻率等于外界的干擾力時(shí)會(huì)發(fā)生諧振，系統(tǒng)的性能將會(huì)受到影響，不能正常工作。為了保證天線系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行，必須對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析［2］。

1 模態(tài)分析理論

傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的校核是通過(guò)大量的強(qiáng)度試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來(lái)完成的，具有試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析量大、花費(fèi)高、有破壞性等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代雷達(dá)工業(yè)的高速發(fā)展和雷達(dá)技術(shù)的迅速提高要求。

模態(tài)分析技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)，也是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析的強(qiáng)有力工具。而ANSYS Worksbench是用ANSYS解決實(shí)際問(wèn)題的新一代軟件產(chǎn)品，軟件界面友好、使用方便，為解決工程實(shí)際問(wèn)題提供了強(qiáng)大的功能和途徑，同時(shí)也保證了很好的CAE結(jié)果，是解決試驗(yàn)難題較好的辦法，目前使用比較廣泛。模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特征，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動(dòng)，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)［3］。

對(duì)于一個(gè)N自由度線性定常系統(tǒng)，其基本振動(dòng)方程可寫(xiě)為對(duì)于模態(tài)分析,通常［C］｛χ˙（t）｝和｛f（t）｝均為零。因此模態(tài)分析的公式為

式中：［M］為彈性系統(tǒng)的質(zhì)量；［C］為結(jié)構(gòu)的阻尼；［K］為剛度矩陣；｛f（t）｝為動(dòng)激勵(lì)載荷向量；｛¨（t）｝為加速度向量；｛（t）｝為速度向量；｛χ（t）｝為位移向量。

2 網(wǎng)格劃分及模態(tài)分析

由于ANSYS Worksbench軟件本身的建模功能還不夠強(qiáng)大，故先利用Pro/E對(duì)雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，再將三維模型另存為IGES中性文件，通過(guò)ANSYS Worksbench數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件、加載求解等過(guò)程。此種方法非常適用于一些復(fù)雜的三維實(shí)體模型，它對(duì)縮短工程設(shè)計(jì)人員重復(fù)建模的時(shí)間，對(duì)加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)度縮短研發(fā)周期等具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，深受用戶的歡迎。

網(wǎng)格劃分既是有限元前處理的主要過(guò)程，又是整個(gè)有限元分析的關(guān)鍵工作，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的優(yōu)劣都將對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。它不僅繁瑣、費(fèi)時(shí)、而且在許多地方依賴于劃分者的經(jīng)驗(yàn)和技巧，有時(shí)候需要進(jìn)行人工干預(yù)和必要的修補(bǔ)。而ANSYS Worksbench的網(wǎng)格劃分是比較智能化的，本文采用的是尺寸控制方法和分網(wǎng)方法控制，尺寸控制方法參數(shù)通過(guò)Element Sizing選項(xiàng)設(shè)置，分網(wǎng)方法控制通過(guò)Hex Dominant或者Auto Sweep if Dominant方式。

單元類型和單元大小影響有限元的計(jì)算效率，在不影響計(jì)算結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確度的條件下，采用ANSYS Worksbench自動(dòng)劃分網(wǎng)格，在ANSYS Worksbench中一般不需要選擇單元類型，劃分方法是Hex Dominant，運(yùn)用四面體和六面體結(jié)合的方法劃分，得到54 698個(gè)節(jié)點(diǎn)，24 611單元。一般這樣得到的實(shí)體表面是六面體網(wǎng)格，內(nèi)部為四面體或是五面體，可以獲得滿意的計(jì)算結(jié)果。

天線折疊升降機(jī)構(gòu)使用的材料屬性見(jiàn)表1。

邊界條件對(duì)于模態(tài)分析來(lái)說(shuō)也是很重要的，因?yàn)樗绊懼考恼裥秃凸逃蓄l率，因此需要仔細(xì)考慮模型的約束狀況，根據(jù)雷達(dá)的實(shí)際工作情況，將約束定義在雷達(dá)天線折疊升降機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)支架與艙倉(cāng)及艙頂?shù)娜齻€(gè)銷釘孔處，約束類型選擇Fixed Surport。由于雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)質(zhì)量較大，固有頻率值較小，前10階的固有頻率如圖1所示。

表1 材料特性

雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)前10階的振型如圖2所示，前3階的相對(duì)位移最大處出現(xiàn)在雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)的天線座部位，后7階的最大位移處出現(xiàn)在支撐桿上。由圖2分析可知，前支撐桿為整個(gè)天線折疊升降機(jī)構(gòu)的改進(jìn)重點(diǎn)，改進(jìn)的方法為改變?cè)撝螚U的橫截面積、調(diào)整桿的壁厚或更換材料等。

圖1 前10階模態(tài)分布

圖2 模態(tài)變形圖

為了避免整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的諧振發(fā)生，最有效的方法就是提高雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)的剛度。

3 結(jié)論

本文通過(guò)使用ANSYS Worksbench對(duì)雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，為雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析提供了重要的模態(tài)參數(shù)，為改進(jìn)和提高雷達(dá)天線折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)既提供了理論依據(jù)又提供了直觀的視覺(jué)感受，同時(shí)又為該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、為實(shí)際試驗(yàn)提供了參考和依據(jù)。

［1］ 吳風(fēng)高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986：183.

［2］ 郭海鷹.ANSYS在天線系統(tǒng)模態(tài)分析中的應(yīng)用［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，1999（2）：44-46.

［3］ 李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.