某车载雷达天线座支座焊接结构的工程分析与研究

刘薇娜 ，常丰吉 ，李玉军 ，钱雨松 ，吴玉彬 ，田兴志

(1.长春理工大学，吉林 长春 130022；2.滕州高级技工学校，山东 滕州 277500；3.长春光华微电子设备工程中心有限公司，吉林 长春 130033；4.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)

0 前言

某车载雷达天线座（见图1）是支撑雷达天线对目标进行探测跟踪的装置。通过雷达天线座伺服控制系统，使雷达天线按照预定的规律运动或者跟随目标运动，准确地指向目标，并且通过它能精确测出目标的方向[1]。

某车载雷达天线座是雷达天线和发射机、接收机的载体。它由俯仰系统、方位系统和基座构成。基座通过起卧轴完成工作状态与运输状态的转换。在车载雷达天线座的俯仰系统上，安装有天、馈线及俯仰箱体（内装发射机、接收机），并带动这些设备一起做方位与俯仰运动。某车载雷达天线座内部装的方位水关节、俯仰水关节、电缆卷绕机构，同时为天、馈线系统及发射机、接收机提供电信号及冷却水。

图1 某车载天线座结构示意

某车载天线座在液压油缸的作用下，通过起卧轴将方位轴、俯仰轴和天线等放倒在雷达载车的车厢上，为运输状态；也可以将天线座竖立位置，为工作状态。

制动支座和驱动支座在天线座上起着非常重要的作用，是俯仰系统上的轴承座。由于雷达天线座的精度比较高，因此，车载雷达天线座对支座的强度、刚度、稳定性和质量等都提出了较高的要求。

1 支座结构形式

大型结构件基本采用两种结构形式即可达到精度指标，即铸造结构和焊接结构。

以往的高精度大型框架结构件多采用铸造成形，由于铸件结构的稳定性好，容易保持大型框架结构件的精度。受当前铸造工艺水平的限制，较大的框架结构件一般壁厚在10 mm以上，铸造出的零件都质量较大，使得相应的轴承和轴承座等部件的承载能力要增加许多，伺服电机驱动力也要增大的，导致设备整体结构较大，机械加工制造以及装配都比较困难，使设备的成本增加。经过进行相应的有限元分析和计算，得出增加壁厚有时对增加刚度的影响较小，但对增加质量的影响很大，但是，同样的刚度因为截面形状不同其质量会差别很大。因此，应该找到一种即能满足系统的强度和刚度的需求，又能使其质量减轻，并且有利于进行机械加工制造的焊接结构的具体形式。

焊接结构的优点：

（1）钢板材料的弹性模量、切变弹性模量分别是铸铁的 1.3～1.7 倍和 1.8 倍，因而在保证等刚度的前提下，焊接结构可比铸造结构减轻质量40%以上[2]。

（2）铸件壁厚不能太小，相邻壁厚差别不能悬殊太大。一般铸造件内部筋板的壁厚在10mm以上，而焊接结构一般取为6～10 mm，减少了较多不必要的质量。

（3）焊接结构设计的自由性比较大，可以设计出的密闭式箱体结构形式，其强度和刚性比较大，并且固有频率比单层壁可增大2～5倍[3-4]。

通过上述分析得知，焊接结构件采用了密闭、对称结构形式，可以使得焊接应力和变形比较小。只要焊接件采用对称结构形式，并加以相应的时效处理等措施，就能保证焊接结构件的尺寸稳定性。

3 支座的焊接结构设计

在俯仰系统中，驱动支座和制动支座分别是俯仰轴系的左、右两个轴承座，承担着中心架、雷达天线和外挂箱体等质量，这就要求驱动支座和制动支座刚度大，又因为它们安装在方位系统上，要求它们的质量必须轻，因此设计时，既要充分考虑到驱动支座和制动支座的强度和刚度要求，又要考虑方位电机的功率和力矩等参数。驱动支座和制动支座采用三层薄钢板+夹层钢板焊接形成封闭箱体来代替单层厚钢板，从而在保证强度和刚度的前提下，减轻它们的质量。

三层薄钢板+夹层钢板的封闭箱体的结构的设计思想是在三层薄钢板中间分别夹一层薄钢板焊接成封闭箱体来代替厚钢板，同时下面与钢板、上面与锻件焊接在一起。比较面积和质量相同的三层薄钢板+夹层薄钢板的封闭箱体和厚钢板，封闭箱体的抗弯刚度、抗扭刚度、抗压刚度明显大于单层厚钢板，因此，在相同表面积、抗弯刚度、抗扭刚度以及抗压刚度的封闭箱体要比单层厚钢板的质量轻。因此，车载雷达天线座俯仰系统上的驱动支座和制动支座采用这种焊接结构，既可以减小质量，又能获得较好的刚度效果。

驱动支座由驱动支座上盖和驱动支座底座组成，其中驱动支座上盖是半圆锻件，与驱动支座底座上的半圆锻件合为一个整圆锻件，然后分开，半圆锻件与钢板焊接成驱动支座底座，最后驱动支座上盖和驱动支座底座组合加工；制动支座与驱动支座类似，只是加工的腔体不同：驱动支座里面装有力矩电机等，而制动支座里装有制动机构等。

驱动支座底座的三层板+夹层板的封闭箱体的结构的具体形式如图2所示。

图2 驱动支座底座的三层板+夹层板的封闭箱体的结构

4 支座的有限元分析

利用三维设计软件UG建立焊接结构件，即驱动支座和制动支座的三维模型，同时通过计算机进行有限元分析，实现对驱动支座和制动支座进行优化设计，并计算出驱动支座和制动支座的变形，改变了原来通过传统必须依靠实物模型进行研究的形式，因此，有限元分析降低了结构焊接件设计的技术风险和设计成本[5-6]。

驱动支座和制动支座均采用16Mn钢，其屈服极限为 345MPa，抗拉强度 510～600MPa，弹性模量为207GPa，泊松比 0.3[2]。

根据驱动支座和制动支座所承受的载荷和边界条件，以及材料的弹性模量和泊松比，对支座进行有限元分析，如图3所示，得知在节点26682处变形最大，为0.464mm，节点 24987处变形最小，为0.302mm，都在设计要求的刚度和变形范围之内。

4 结论

根据制动支座和驱动支座的具体结构和有限元分析结果可以看出，支座的设计完全满足天线座的使用要求。通过实际的工程证明，采用三层板+夹层板的封闭箱体代替厚钢板完全满足设计和使用要求。

图3 制动支座和驱动支座有限元分析

[1]吴凤高.天线座结构设计[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3]张景旭.大型跟瞄架方位轴系的研制[J].光学精密工程，1996，4（2）：73-77.

[4]郭 劲，张景旭.大型光电跟踪架采用焊接结构的工程分析与研究[J].光学精密工程，1996，4（4）：60-67.

[5]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[6]陈火红.MSC.Patran/Marc培训教程和实例[M].北京：科学出版社，2004.