導(dǎo)語：雷達(dá)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

與車載、固定式雷達(dá)有所不同，艦船用雷達(dá)通常要求的正常工作風(fēng)速和不破壞狀態(tài)風(fēng)速都比較高。艦船用雷達(dá)的天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的載荷通常包括風(fēng)載荷、慣性載荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪載荷和溫度載荷等幾種類型。根據(jù)艦船正常工作環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，正常工作和不破壞條件下的相對風(fēng)速都非常高，風(fēng)載荷在艦船用雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的載荷中通常是最大的一個(gè)因素。在某些項(xiàng)目中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要克服的風(fēng)載荷占總載荷的比例超過80%。因此，降低天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的風(fēng)載荷是提高艦船用雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性和雷達(dá)結(jié)構(gòu)可靠性非常有效的途徑。

本文提出了一種艦船用雷達(dá)天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過將雷達(dá)天線數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行比對和驗(yàn)證，用于指導(dǎo)雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，有效地降低了雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的風(fēng)載荷，為下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。目前，降低天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)風(fēng)載荷的主要手段是通過持續(xù)多輪次的風(fēng)洞試驗(yàn)。在此過程中，需要不斷地通過改進(jìn)天線外形結(jié)構(gòu)，并不斷地進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。而每次更改天線外形結(jié)構(gòu)都需要重新設(shè)計(jì)和加工風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本也比較高。用CFD方法對雷達(dá)天線外流場氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析正逐步成為雷達(dá)天線設(shè)計(jì)初期的很有效的手段，其缺點(diǎn)是計(jì)算量大。

隨著近年來處理器性能大幅提高，雷達(dá)天線外流場數(shù)值模擬分析方法的快速和成本優(yōu)勢正逐漸顯現(xiàn)。目前，在雷達(dá)天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面有著良好的應(yīng)用前景［5-8］。本文提出的艦船用雷達(dá)天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其主要特征和流程如圖1所示，主要包括以下步驟:步驟1初始外形結(jié)構(gòu)方案:根據(jù)雷達(dá)總體技術(shù)和適裝性要求，結(jié)合雷達(dá)工作的環(huán)境條件，給出雷達(dá)天線的初始外形結(jié)構(gòu)方案;步驟2三維實(shí)體建模:根據(jù)雷達(dá)天線外形結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行三維實(shí)體建模;步驟3根據(jù)CFD特點(diǎn)對外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化:外形結(jié)構(gòu)簡化，使得數(shù)值模擬計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性都能兼顧;步驟4數(shù)值模擬:進(jìn)行天線外流場數(shù)值模擬計(jì)算;步驟5仿真分析結(jié)果輸出:對仿真分析結(jié)果進(jìn)行后處理后輸出;步驟6根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)特點(diǎn)對外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化:外形結(jié)構(gòu)簡化，使得風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目杉庸ば院驮囼?yàn)準(zhǔn)確性都能兼顧;步驟7風(fēng)洞試驗(yàn):進(jìn)行天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)模型風(fēng)洞試驗(yàn);步驟8風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果輸出:對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理后輸出;步驟9外形結(jié)構(gòu)方案更新:對天線外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行新的數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)重復(fù)步驟3～8，直至優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束。通常步驟3～5的重復(fù)次數(shù)要比步驟6～8的重復(fù)次數(shù)多，因?yàn)椴皇敲看螖?shù)值模擬的結(jié)果都有價(jià)值。如果仿真分析結(jié)果表明某外形結(jié)構(gòu)方案的風(fēng)載荷比初始結(jié)構(gòu)方案的風(fēng)載荷還要大，就不需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，而直接進(jìn)入步

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)

在雷達(dá)天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上得出雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的總載荷。根據(jù)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)所受的總載荷，對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核，開展天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)工作。目前，主要從以下幾個(gè)方面開展了工作，并取得了一定的進(jìn)展。

(1)收發(fā)分機(jī)冷卻方式的選擇固態(tài)收發(fā)分機(jī)裝放在相對密閉的機(jī)架箱體內(nèi)，采用整體防雨雪、模塊化設(shè)計(jì)。其中TR組件、大功率電源等模塊在工作中會產(chǎn)生大量的熱量，對工作環(huán)境有一定的要求，尤其是TR組件的殼體溫度要求不大于70℃。整個(gè)收發(fā)分機(jī)的總發(fā)熱量接近10kW。為了將收發(fā)分機(jī)的熱量有效地散發(fā)出去，可選的冷卻方式主要有敞開式強(qiáng)迫風(fēng)冷、循環(huán)風(fēng)冷和循環(huán)水冷等3種。不論采用何種冷卻方式，冷卻介質(zhì)都需要通過多路介質(zhì)環(huán)輸送到收發(fā)分機(jī)內(nèi)部。經(jīng)過深入分析和調(diào)研，對采用這3種冷卻方式下的天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)重量進(jìn)行了詳細(xì)的估算，只有在收發(fā)分機(jī)采用循環(huán)水冷的冷卻方式下天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量才可能低于1200kg。最終選定循環(huán)水冷作為收發(fā)分機(jī)的冷卻方式。

(2)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)按照艦船用雷達(dá)正常工作相對風(fēng)速要求，得出了方位電機(jī)的扭矩和功率需求，以此為依據(jù)選定電機(jī)。由于外形結(jié)構(gòu)的原因，盡管該項(xiàng)目雷達(dá)天線系統(tǒng)的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比某大型艦船用中遠(yuǎn)程三坐標(biāo)雷達(dá)天線系統(tǒng)要小很多，但是由于方位風(fēng)力矩較大，所需的方位電機(jī)功率不小于15．1kW，而后者的方位電機(jī)功率需求不大于13．9kW。在執(zhí)行電機(jī)選擇時(shí)，由于系統(tǒng)為長期連續(xù)變載荷工作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要根據(jù)“慣量匹配”的方法來選擇電機(jī)。根據(jù)功率需求，有3種電機(jī)可選，重量分別為50、67和86kg。經(jīng)過認(rèn)真的比對篩選以及慣量匹配計(jì)算，最后選用了小慣量電機(jī)，負(fù)載慣量折算到電機(jī)軸上兩者之比為2．59，能夠滿足使用要求，且伺服控制性能也比較好。兩型雷達(dá)所用電機(jī)功率和重量等參數(shù)如表1所示?？梢钥闯?，在滿足載荷要求的前提下，該項(xiàng)目選用的電機(jī)額定功率更大，但是重量更小，從而有效地降低了天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量。

(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)和剛強(qiáng)度校核計(jì)算天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)是負(fù)載計(jì)算結(jié)果。根據(jù)載荷計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度校核和電機(jī)功率校核，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和電機(jī)、減速箱選型。首先進(jìn)行關(guān)鍵受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行三維建模。根據(jù)載荷計(jì)算結(jié)果，對關(guān)鍵受力構(gòu)件進(jìn)行了初次的剛強(qiáng)度計(jì)算和校核。接著，根據(jù)初步的剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果以及結(jié)構(gòu)學(xué)和力學(xué)的相關(guān)知識，進(jìn)行關(guān)鍵受力構(gòu)件的優(yōu)化減重設(shè)計(jì)，甚至是重新設(shè)計(jì)。然后，對優(yōu)化減重設(shè)計(jì)后的關(guān)鍵受力構(gòu)件進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算和校核。上述過程反復(fù)進(jìn)行，才能有效地減輕關(guān)鍵受力構(gòu)件的重量，從而降低天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的重量，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)的目的。減重優(yōu)化設(shè)計(jì)和剛強(qiáng)度校核計(jì)算流程剛強(qiáng)度分析僅僅是個(gè)目的而不是結(jié)果。對于有限元分析得出的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，如果表明最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的可承受應(yīng)力水平，最大變形遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求，表明結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，而且設(shè)計(jì)較為保守。要想達(dá)到優(yōu)化減重的目的，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)和分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該加強(qiáng)的部位加強(qiáng)，該減重的部位就要進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。這個(gè)過程是一個(gè)不斷反復(fù)的過程，而且非常繁瑣，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，才能取得比較好的效果。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)過程中，必須始終保證關(guān)鍵受力構(gòu)件的強(qiáng)度留有足夠的余量，以確保雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠性和穩(wěn)定性。

3輕型材料及其工藝技術(shù)研究

艦船雷達(dá)裝備結(jié)構(gòu)上大部分采用鋼材、鈦合金或鋁合金，并有一定數(shù)量采用復(fù)合材料。在該演示驗(yàn)證雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)方案中，就采用了輕型金屬材料鈦合金和鋁合金，并采用了一定數(shù)量的復(fù)合材料。目前，真正用在雷達(dá)結(jié)構(gòu)上的高性能復(fù)合材料還不多。為了提高雷達(dá)抗惡劣環(huán)境條件的能力，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的輕量化和小型化，一些先進(jìn)的復(fù)合材料，如碳纖維復(fù)合材料，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和材料成本的逐步降低，必將在雷達(dá)結(jié)構(gòu)中得到越來越多的應(yīng)用。在選用工程材料或復(fù)合材料時(shí)，還必須考慮材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)所用的材料選擇相應(yīng)的工藝處理方式，通過工藝處理獲得所需要的力學(xué)或工藝性能。

4適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

結(jié)合某項(xiàng)目雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，從天線外流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)、輕型材料及其工藝技術(shù)研究等方面進(jìn)行了分析和論證，取得了較好的效果，最終達(dá)到了預(yù)期目的。該項(xiàng)目雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)優(yōu)化前后的重量比較

5結(jié)束語

本論文中提出和采用的天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)思路和方法，適用于該項(xiàng)目雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了較好的效果。由于所采用的技術(shù)路線、技術(shù)手段和仿真分析工具具有一定的普遍性，因此，本文提出的技術(shù)思路和方法也可以廣泛應(yīng)用在其他裝備產(chǎn)品的適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，尤其是艦船用雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中。

作者：趙廣濤李潤林薛宜童單位：中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所