某机载雷达扫描器结构设计*

邹吾松，解金华

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240；2. 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所， 江苏 无锡 214063)

某机载雷达扫描器结构设计*

邹吾松1，2，解金华1，2

(1. 上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240；2. 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所， 江苏 无锡 214063)

机载雷达扫描器是个典型的伺服系统，通常要求其结构固有频率高于伺服带宽3～5倍。从结构稳定性考虑，应避免在机载环境要求的低频段着重考核点发生谐振。扫描器外形是一个细长的悬臂梁且零件种类和数量较多，提高其结构固有频率有一定的难度。文中主要从提高整体结构刚度着手来提高扫描器的固有频率，介绍了某机载雷达扫描器结构设计的过程，从总体架构、轴系设计、重要零件设计等方面进行了论述，利用Patran/Nastran软件对其进行了模态分析，第1阶响应频率与样机的响应测试结果较为接近。最终产品在振动试验中优良的稳定性和交付后良好的表现表明，该扫描器对同类扫描器的结构设计具有借鉴意义。

雷达扫描器；结构设计；模态分析

引 言

机载雷达扫描器是一个高精度的机电一体化装置，是实现雷达高精度跟踪、制导的关键所在，它的主要功能是完成天线的扫描与定位以及微波功率和接收信号的传输等[1]。为保证雷达扫描器伺服系统的稳定性,使稳定裕度充足, 一般要求扫描器的结构固有频率高于伺服系统频率带宽的3～5倍[2]。机载环境试验对低频段的考核要求较严格，特别是近几年来，直升机类载机加装了某类型雷达，其低频段着重考核频点更是对机载雷达扫描器的设计提出了更高的要求。提高机载雷达扫描器的固有频率是解决上述2个问题的有效办法。

文献[3]～[5]分别从局部机构的刚度计算，成品的性能评估、理论和试验模态分析等方面对机载雷达扫描器的固有频率进行了研究。本文将从结构设计(包含总体架构设计、轴系设计、重要零件设计等)的角度，结合有限元软件优化技术，介绍了通过增强系统刚度但不增大转动惯量来提高结构系统固有频率的一个工程实例。

1 扫描器结构设计

机械扫描器从结构组成上通常可拆分为俯仰组件、方位组件、底座3大部分，天线直接与俯仰组件相连接，俯仰组件通过方位组件与扫描器底座组件相连[1]。下面将从总体架构、轴系设计和底座设计3方面进行论述。

1.1 总体架构

该扫描器的方位组件旋转轴心和俯仰组件旋转轴心采取正交配置，采用大框架作为主要零件组成方位组件，设计薄壁空腔式底座等来提高扫描器的刚度。电机布局时，采取将细长俯仰电机嵌入粗扁方位电机的方式形成紧凑化设计，通过使占旋转部分质量比重高的驱动电机尽量靠近旋转轴，使系统获得更小的转动惯量。右俯仰框架和右俯仰轴实行一体化设计，左俯仰框架和左俯仰轴通过螺钉连接，左右俯仰框架通过天线和配重块连接成一封闭结构，这样整个俯仰组件就获得了很好的刚度。

1.2 轴系设计

扫描器方位、俯仰轴系如图1所示。上方位轴和下方位轴固定在底座上，底座上的安装孔和方位框架上的轴承安装孔保持上、下方位轴的位置度和“握持”刚度。俯仰框架和俯仰轴之间的同轴度要求由方位框架上的轴承安装孔保证。采取“大方位框架+粗短轴”的架构，大方位框架采用“笼”式+腹板结构，在获得较轻重量的同时提供了较高的结构刚性，上下方位轴、俯仰框架、俯仰轴均采取短粗形式亦提高了这4个零件的结构刚度。

图1 扫描器轴系布置图

1.3 底座设计

底座承载了扫描器所有零部件，且为一悬臂结构。必须提高底座的刚度以保证扫描器的性能。由于机载环境的重量限制，底座采用“薄壁空腔”结构(类似于将飞机的桁架和蒙皮融为一体的结构)。经过不断的优化设计，用Patran/Nastran来计算校核最优状态的受力情况和振型。

在环境试验要求的最大过载力作用下，底座变形如图2所示。由于采用了“薄壁空腔”结构，在不需增加太多材料(重量)的情况下，底座就获得了很高的刚度，且底座体积与扫描器体积比值高，这对整个系统固有频率的提高有着直接的影响。经计算，底座的第1阶、第2阶固有频率分别为481.5 Hz和840 Hz，1阶振型如图3所示。

图2 扫描器底座法向受力变形图

图3 扫描器底座1阶振型

2 模态分析

2.1 分析概述

在做动力学分析前，一般先进行模态振型及其对应固有频率的分析。模态分析结果是分析对象动态响应时的基本形式，从中可以看出分析对象在动态载荷下是如何响应的。扫描器在激振力作用下的运动方程可以简写为：

式中：[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{x}是位移响应；{f}是激励载荷。

模态叠加法的特点是预先求出天馈伺系统的模态，即按自然频率和模态将完全耦合的通用运动方程转化为一组独立的非耦合方程[6]。通过对上式解耦，得到位移响应为不同矩阵的叠加公式。

2.2 有限元模型的建立

建立有限元模型需要真实地反映天线扫描器的结构特性，同时应控制模型规模以保证计算效率。本文从以下几个方面对模型进行了简化：忽略底座所有铸造圆角及直径 ≤ 3 mm的通孔和螺纹孔；忽略其他零件半径 ≤ 2 mm的圆角和直径 ≤ 3 mm的通孔和螺纹孔；所有螺钉简化为RBE2单元连接，RBE2单元连接处用六面体网格建模；忽略所有弹垫、平垫。建立的整个天线扫描器的有限元网格模型的节点总数为320 548，单元总数为165 031。底座材料为ZL101A，轴承材料为GCr15，其余零件材料为铝合金6061。按材料手册进行弹性模量、泊松比、拉伸强度、密度等参数的赋值。边界条件模拟实际工况，约束底座4个螺钉安装孔的6个自由度。最后，通过Patran/Nastran软件对模型检查后进行求解。

2.3 模态计算结果

经过多次的局部优化，得出了相对较优的扫描器结构设计方案。运用Patran/Nastran软件对安装天线的扫描器动态性能进行仿真，计算出了天线扫描器前10阶的固有频率及对应频率下文字描述的大概振型，见表1。图4为天线扫描器的第1阶模态振型图。

表1 天线扫描器前10阶固有频率

图4 天线扫描器第1阶振型

3 产品测试验证

按上述设计方案研制出扫描器，经过检测、实际使用以及试验试飞验证，产品满足设计指标要求，取得了良好的使用效果。如图5所示，将加速度监测传感器置于底座最靠近天线的位置，成功监测到了第1阶底座弯曲振型，实测产品的第1阶固有频率为98.6 Hz，与仿真值115.1 Hz的误差为14%，精度良好。其余前10阶振型未出现在底座上，测试曲线也未出现明显尖峰，虽然在413.9 Hz出现了带宽较大的尖峰，但在此带宽上，结构件受到的损伤较小。天线扫描器有着较高的第1阶固有频率，在振动试验中，对外加载荷的响应较小，且扫描性能稳定。

图5 天线扫描器正弦扫频响应测试曲线

4 结束语

研制的扫描器样机响应测试以及在振动试验中优良的稳定性和交付后良好的表现表明，在不增大转动惯量的前提下，通过增强系统刚度来提高结构系统固有频率是行之有效的。在扫描器结构总体设计上，将主体结构设计成刚度和稳定性都非常好的结构，比如“大框架+粗短轴+大臂握持”的构型；在主要零件上，采用“笼”式或薄壁空腔式构型可以获得优异的结构刚度。文献[3]和文献[5]讨论的都是机载扫描器的刚度，而没有从产品结构设计与优异构型融合的角度进行表述。这正是本文区别于它们的地方。然而，当天线的尺寸大到一定程度后，天线将成为整个结构系统刚度最薄弱的环节，此时可从增大系统阻尼系数的方向进行研究，以最终达到系统稳定的目的。

[1] 唐治安，陈泽彪，孙晓刚. 钛合金在雷达扫描器结构设计中的应用[C]// 2007年机械电子学学术会议论文集. 昆明: 中国电子学会电子机械工程分会，2007.

[2] 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.

[3] 洪长满. 机载雷达天线座结构的刚强度性能评估[J]. 现代雷达，2011,33(6)：69-70.

[4] 段勇军. 雷达天线座模态分析与试验研究[J].机械设计与制造，2010,(2)：214-216.

[5] 顾吉丰. 驱动机构的刚度分析[J]. 现代雷达，2001,23(6)：69-70.

[6] 白崴，喻海良. 通用有限元分析ANSYS8.0基础教程[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

邹吾松(1983-)，男，工程师，主要从事机载雷达结构设计工作。

解金华(1979-)，男，高级工程师，主要从事机载雷达结构设计工作。

Structure Design of an Airborne Radar Scanner

ZOU Wu-song1,2，XIE Jin-hua1,2

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China；2.AVICLeihuaElectronicTechnologyResearchInstitute,Wuxi214063,China)

The airborne radar scanner is a typical servo system. It is usually required that the inherent frequency of its structure should be 3-5 times higher than the servo bandwidth. Considering the structural stability, resonance should be avoided at emphasized test point in low frequency required by the airborne environment. The scanner is a spindly cantilever and has a large number of and various kinds of components, so it is difficult to increase its structure inherent frequency. The overall structural rigidity is improved to enhance the inherent frequency of the scanner in this paper. The design process of the airborne radar scanner structure is introduced including the overall architecture, bearing design, important component design, etc. The modal analysis with Patran/Nastran is carried out, too. The first order response frequency approximates to the response test result of the prototype. The excellent stability in vibration test and good performance in application of the products after delivery indicate that the design is successful, which can provide reference for the structure design of similar scanners.

radar scanner; structure design; model analysis

2014-04-04

TN820.3

A

1008-5300(2014)05-0057-04