車(chē)載雷達(dá)平臺(tái)的優(yōu)化與仿真*

陳世榮，季漢忠，常繼根

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

車(chē)載雷達(dá)平臺(tái)的優(yōu)化與仿真*

陳世榮，季漢忠，常繼根

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

研究了雷達(dá)平臺(tái)的優(yōu)化方法，通過(guò)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化分析獲得平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式；分析了平臺(tái)梁截面尺寸對(duì)平臺(tái)抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度的影響，采用達(dá)爾斐法將平臺(tái)抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題統(tǒng)一到一個(gè)目標(biāo)函數(shù)中，并通過(guò)MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)雷達(dá)平臺(tái)進(jìn)行多約束的尺寸優(yōu)化，獲得最優(yōu)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸，并建立平臺(tái)的有限元模型對(duì)其優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性。

車(chē)載雷達(dá)；平臺(tái)；優(yōu)化

引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，作為地面防空系統(tǒng)主要成員之一的機(jī)動(dòng)車(chē)載雷達(dá)愈來(lái)愈受到重視。車(chē)載雷達(dá)的載車(chē)平臺(tái)起著承上啟下的作用，平臺(tái)上方通過(guò)齒輪與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，下方通過(guò)懸索連接件與越野運(yùn)輸車(chē)相連，并承受各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷，其強(qiáng)度、剛度及動(dòng)力學(xué)特性，直接影響車(chē)載雷達(dá)的性能和使用壽命。

文中所討論的某型車(chē)載雷達(dá)整機(jī)設(shè)備和配套設(shè)備通過(guò)平臺(tái)安裝在1 臺(tái)越野車(chē)上，雷達(dá)工作時(shí)，所有雷達(dá)設(shè)備和配套設(shè)備都通過(guò)平臺(tái)支撐，平臺(tái)通過(guò)調(diào)平腿支撐于地面，雷達(dá)工作時(shí)對(duì)平臺(tái)的水平精度有很高的要求，平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度對(duì)雷達(dá)的性能有直接的影響，所以在有限的重量和空間約束下提高平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度以滿足雷達(dá)工作要求。本文首先通過(guò)三維軟件建立載車(chē)平臺(tái)的有限元模型，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行形狀和幾何尺寸優(yōu)化，減輕平臺(tái)重量，以最小的重量代價(jià)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度要求，并通過(guò)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 平臺(tái)有限元模型的建立

平臺(tái)通過(guò)懸鎖與載車(chē)連接，平臺(tái)上安裝的設(shè)備主要有天線座、天線陣面、液壓調(diào)平系統(tǒng)和配電設(shè)備等。平臺(tái)的縱梁結(jié)構(gòu)一方面要保證車(chē)架的功能；另一方面還要滿足整車(chē)總體布局的要求，同時(shí)要求形狀簡(jiǎn)單?？v梁的形狀分上翼面是平直的和彎曲的2 種，上翼面平直式的車(chē)廂地板平整縱梁制造方便，翼面彎曲式縱梁部分區(qū)段降低，車(chē)輛的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

縱梁的橫截面形狀有槽鋼、工字鋼、箱型、管型和Z型，要求能使縱梁的各斷面的應(yīng)力接近?？梢愿淖兞旱母叨龋怪胁繑嗝娓?，兩端斷面低。槽型斷面的縱梁有較好的抗彎強(qiáng)度，又便于安裝各種汽車(chē)部件，因此得到了廣泛的應(yīng)用，但是此種斷面的抗扭性較差。從減小車(chē)架縱梁的抗彎應(yīng)力方面考慮，增大槽型斷面高度最有利，但汽車(chē)的質(zhì)心高度增加。增加上下翼的寬度，也可以提高縱梁的抗彎強(qiáng)度。車(chē)架橫梁將左右縱梁連接到一起，形成一個(gè)框架，使車(chē)架有足夠的抗扭剛度。汽車(chē)的主要總成通過(guò)橫梁來(lái)支撐。橫梁和縱梁的固定方法可分為鉚接、焊接和螺栓連接等方式。鉚接成本低，焊接可保證大的剛度，但有較大的內(nèi)應(yīng)力。

綜合多種因素，選擇橫梁和縱梁采用矩形截面，以焊接的形勢(shì)連接，平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)

2 車(chē)架的受載分析

雷達(dá)在工作時(shí)平臺(tái)所受載荷主要有風(fēng)載FW、設(shè)備自重GE、天線自重GA和運(yùn)輸車(chē)自重GV,平臺(tái)各部分受力如圖2所示。

圖2 平臺(tái)受力分析

雷達(dá)陣面在不同方位時(shí)，平臺(tái)所受風(fēng)載的角度也隨之變化，平臺(tái)所受風(fēng)載可以分解為平臺(tái)縱向和橫向方向的受力，如圖3所示。這2個(gè)方向的分力分別使平臺(tái)產(chǎn)生縱向彎曲變形和橫向扭轉(zhuǎn)變形。

圖3 平臺(tái)受風(fēng)載分析

3 優(yōu)化仿真及結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過(guò)2 種方式進(jìn)行優(yōu)化：在給定結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、材料、布局和外形幾何的情況下，優(yōu)化各組成截面的尺寸，使得結(jié)構(gòu)的質(zhì)量最小，即為尺寸優(yōu)化；在結(jié)構(gòu)的幾何外形不確定的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和布局進(jìn)行優(yōu)化，即為形狀優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

在額定載荷作用下，平臺(tái)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，所以平臺(tái)的優(yōu)化目標(biāo)是提高平臺(tái)的抗彎、抗扭能力和減輕平臺(tái)重量。

平臺(tái)強(qiáng)度的優(yōu)化目標(biāo)是平臺(tái)最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力；平臺(tái)的變形應(yīng)該小于平臺(tái)上天線轉(zhuǎn)臺(tái)基座允許變形范圍，所以平臺(tái)的剛度優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)為平臺(tái)變形小于許用變形量；平臺(tái)重量的優(yōu)化目標(biāo)為3.5 t，具體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

式中：σmax為最大彎曲應(yīng)力；[σS]為許用彎曲應(yīng)力；ymax為最大變形；S為安全系數(shù)；W為平臺(tái)重量。

3.2 優(yōu)化變量的選擇

根據(jù)上述2 種優(yōu)化方式分別采取相應(yīng)的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.1 形狀優(yōu)化

分析表明，平臺(tái)由于受彎曲、扭曲、或彎曲扭曲組合的影響產(chǎn)生變形，為了提高平臺(tái)的抗彎能力，在橫梁和縱梁內(nèi)部增加強(qiáng)筋，在橫梁和縱梁聯(lián)接部位增加斜撐，可以增強(qiáng)平臺(tái)的抗扭能力，提高平臺(tái)的抗扭剛度；在縱梁外側(cè)邊增加副梁，可以增強(qiáng)平臺(tái)的抗彎能力，提高平臺(tái)的抗彎剛度。為了便于與運(yùn)輸車(chē)聯(lián)接和平臺(tái)設(shè)備的安裝，橫梁和縱梁的橫截面形狀一般選用矩形截面，同時(shí)為了減輕重量，有效利用材料，橫梁和縱梁選用截面形狀采用如圖4所示的箱型截面。

圖4 梁截面

3.2.2 尺寸優(yōu)化

平臺(tái)外形尺寸受到運(yùn)輸車(chē)長(zhǎng)度、寬度和運(yùn)輸條件限制，優(yōu)化空間有限，橫梁和縱梁的橫截面尺寸直接影響優(yōu)化目標(biāo)，所以選取截面的寬度B、高度H和翼板厚h、腹板厚b為優(yōu)化變量。

平臺(tái)工作時(shí)所受的最大應(yīng)力和最大剪應(yīng)力應(yīng)滿足材料許用應(yīng)力：

(2)

式中：Mmax為最大彎矩；IZ為抗彎截面模量；τmax為最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；Tmax為最大扭矩；ρmax為最大扭轉(zhuǎn)角度；[τS]為最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；IP為抗扭截面模量。

由上式約束函數(shù)可以看出，梁截面形狀的抗彎截面模量直接影響平臺(tái)強(qiáng)度、剛度和重量，截面抗彎截面模量越大，平臺(tái)最大應(yīng)力、最大變形就越小，重量越輕，所以目標(biāo)函數(shù)可以直接轉(zhuǎn)換為梁的抗彎截面模量IZ、抗扭截面模量IP和梁截面積S的函數(shù)：

(3)

模型是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，采用“統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)”[1]的方法將多個(gè)目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一到一個(gè)目標(biāo)函數(shù)中。根據(jù)線性加權(quán)和法建立目標(biāo)函數(shù)，采用達(dá)爾斐法[2]確定系數(shù)為

(4)

統(tǒng)一的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

f(x)=k1IZ+k2IP

(5)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局確定橫梁高度H=400 mm，約束函數(shù)如下：

(6)

采用約束非線性算法[3]：

(7)

此算法是求函數(shù)的最小值，轉(zhuǎn)換式為目標(biāo)函數(shù)f(x)如下：

f(x)=-k1IZ-k2IP

(8)

將重量約束轉(zhuǎn)化為梁截面最大截面積，即獲得滿足重量約束的梁截面積約束方程：

W-3.5≤0

c(x)=SL-3.5=0.1357h(400+B)-3.5

考慮到加工問(wèn)題，翼板厚h和腹板厚b選用一樣的厚度，b=h，因此截面尺寸約束簡(jiǎn)化如下：

3.3 優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)MATLAB[3]對(duì)梁截面進(jìn)行截面尺寸進(jìn)行約束優(yōu)化，梁寬B和壁厚h對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響如圖5所示。采用約束非線性算法獲得的優(yōu)化結(jié)果為B=140 mm，h= 8 mm。

圖5 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行ANSYS有限元仿真[4-5]驗(yàn)證，平臺(tái)在載車(chē)重力、平臺(tái)設(shè)備重力和風(fēng)載等壓力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D如圖6和圖7所示，其最大應(yīng)力和最大變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 平臺(tái)仿真應(yīng)力云圖

圖7 平臺(tái)仿真應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)車(chē)載雷達(dá)中工作時(shí)的平臺(tái)進(jìn)行受力分析，確定其受力狀態(tài)和雷達(dá)性能對(duì)平臺(tái)強(qiáng)度和剛度要求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行形狀優(yōu)化分析和尺寸優(yōu)化分析，采用達(dá)爾斐法將平臺(tái)抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題統(tǒng)一到一個(gè)目標(biāo)函數(shù)中，并通過(guò)MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)雷達(dá)平臺(tái)進(jìn)行多約束的尺寸優(yōu)化，獲得最優(yōu)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸。建立平臺(tái)的有限元模型對(duì)其優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的正確性和優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

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陳世榮(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)結(jié)構(gòu)總體技術(shù)。

季漢忠(1961-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)結(jié)構(gòu)總體技術(shù)。

常繼根(1968-)，男，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)結(jié)構(gòu)總體技術(shù)。

Optimization and Simulation of Platform Framework of Vehicle Radar

CHEN Shi-rong，JI Han-zhong，CHANG Ji-gen

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

An optimization method for platform framework of radar is studied. The type of platform framework is obtained by dimension and shape optimization. Effects of section of framework girder on bending strength and torsion strength are analyzed. The bending strength and torsion strength of platform framework are normalized via method of Dahl Felix, and then optimization is just for one function. The dimension optimization in multi-restrictions of platform framework is obtained via MATLAB. The finite element model of platform framework is established and the correctness of optimization result is verified by simulation.

vehicle radar; platform framework; optimization

2016-06-01

TH959.71

A

1008-5300(2016)05-0057-04