机载雷达天线座结构优化设计*

黄 潇

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

机载雷达天线座结构优化设计*

黄 潇

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

机载雷达的设计不仅要满足刚强度要求，而且要满足轻量化要求。文中采用拓扑优化方法对某机载雷达天线座结构进行了优化设计，以体积最小化为设计目标，单元密度为设计变量，节点位移限制为约束条件。将优化后的方案与最初设计方案进行对比发现，在结构重量减轻的同时，结构的刚强度得到了明显的提高。这也表明，拓扑优化方法非常适合于机载雷达特别是天线座的结构设计。

机载雷达；天线座；结构设计；拓扑优化

引 言

机载雷达天线座是承受载机振动和冲击的关键构件，其结构的刚度和强度直接影响到整个雷达的测试精度和安全性能。并且机载雷达对于重量的控制非常严格，因此天线座结构设计既要满足刚强度要求，又要满足轻量化要求。传统的基于经验的设计方法难以在结构性能与重量之间达到平衡[1]。

拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案，并且已有不少文献对此进行了研究。文献[2]对机载SAR天线座连接支架进行了拓扑优化设计，在减轻重量的同时，提高了结构性能。文献[3]采用拓扑优化方法对机载天线座万向支架进行了优化，提高了结构的刚强度。

本文基于结构优化软件OptiStruct，采用拓扑优化方法对机载雷达天线座进行了优化设计，并与最初设计方案进行了对比。结果表明在雷达天线座设计中采用拓扑优化方法，不仅能减轻重量，而且能够显著提高结构的刚强度。

1 天线座初始方案及有限元分析

1.1 优化问题描述

图1(a)为天线座、转轴、U型架的整体有限元模型，雷达天线简化为质量点分布于U型架两端的刚性单元上。图1(b)为天线座俯视图，图中阴影部分区域A需要进行拓扑优化；4个小圆孔为与载机相连的安装孔，计算中在此处施加约束；区域B为虚线与实线之间的部分，为连接天线罩区域，此区域不需要优化。

1.2 初始方案

在设计初期有一初始方案，中间为一圆环，向外有8根辐射状筋，每根筋为恒定宽度，其有限元模型如图2所示，初始方案质量为1.54 kg。

图1 原始有限元模型

图2 初始方案有限元模型

1.3 初始方案刚强度分析

在载机飞行以及着陆过程中，结构会受到3个方向的载荷，每个方向设置1个工况进行力学分析，计算结果如图3～图5所示。图3为受到X方向载荷作用时天线座的变形和应力云图，其最大变形和最大应力分别为0.038 3 mm和5.899 MPa；图4为受到Y方向载荷作用时天线座的变形和应力云图，其最大变形和最大应力分别为0.024 5 mm和4.204 MPa；图5为受到Z方向载荷作用时天线座的变形和应力云图，其最大变形和最大应力分别为0.038 3 mm和5.762 MPa。

图3 X向载荷作用计算结果

图4 Y向载荷作用计算结果

图5 Z向载荷作用计算结果

1.4 初始方案模态分析

模态分析可获知结构的动态特性。通过模态分析，得到结构的前3阶固有频率，分别为29.5 Hz、29.8 Hz和84.1 Hz。

根据有限元分析结果，结构基频为29.5 Hz，最大位移值为0.038 3 mm，不满足结构刚度设计要求。现希望在不增加结构重量的前提下，将结构的基频提高到30 Hz以上，最大位移值降低到0.03 mm以下。

2 拓扑优化设计

拓扑优化是在给定空间结构中生成优化的形状以及材料分布，可以采用壳单元或者实体单元来定义设计空间，并用均匀化法和密度法来定义材料的流动规律。在进行拓扑优化之前，首先要做好准备工作，即建立结构的有限元模型，并在有限元模型上施加相应的载荷和约束。然后对拓扑优化的设计空间、响应、约束和目标函数等优化参数进行设置。优化参数设置好后，即可运行优化程序，得出优化结果[3]。

本文优化软件采用的是OptiStruct，拓扑优化方法是变密度法，设计目标是天线座结构的体积最小化，设计变量为单元密度，约束是在3个方向载荷作用下节点的位移限制均满足设计要求。整个优化过程经过19步迭代，最后优化收敛。单元密度阈值取0.15时的单元密度等值面图如图6所示，向外的辐射筋变为4根变截面状，使得传力路径更为优化。

图6 单元密度的等值面图

3 基于拓扑优化的结构方案

拓扑优化结果提供了满足要求的结构中材料的最佳分布形式，中间圆环的宽度较原来的结构有所增加，向外的辐射筋减为4根变截面状，其有限元模型如图7所示，优化方案质量为1.34 kg。

图7 优化结构有限元模型

3.1 优化结构刚强度分析

优化结构的刚强度计算结果如图8～图10所示。图8为受到X方向载荷作用时优化结构的变形和应力云图，其最大变形和最大应力分别为0.027 2mm和5.491 MPa；图9为受到Y方向载荷作用时优化结构的变形和应力云图，其最大变形和最大应力分别为0.020 9 mm和3.744 MPa；图10为受到Z方向载荷作用时优化结构的变形和应力云图，其最大变形和最大应力分别为0.026 9 mm和5.386 MPa。

图8 X向载荷作用计算结果

图9 Y向载荷作用计算结果

图10 Z向载荷作用计算结果

3.2 优化结构模态分析

通过模态分析，得到优化结构的前3阶固有频率，分别为32.3 Hz、32.7 Hz和90.9 Hz。

4 结构性能对比

前文分别对天线座初始设计方案和优化方案进行了有限元分析，并得出了结构的应力、变形以及固有频率等结果，下面将对结果进行对比分析。表1给出了天线座优化前后的重量及刚强度指标变化情况。由表1可见，天线座结构优化后，重量降低了13%，虽然结构重量降低，但结构的刚度和强度均得到了一定程度的提高，这也正是拓扑优化的意义所在。在X、Y和Z向载荷作用下，最大变形分别降低了29%、15%和30%，最大应力分别降低了7%、11%和7%。基频增加了9%。因此，通过采用拓扑优化，不仅减轻了重量，而且结构的刚强度均达到了设计要求。

表1 优化前后结构性能对比

5 结束语

将连续体结构拓扑优化方法应用到天线座结构优化设计中，结合优化结果的单元密度等值面图，对天线座结构设计进行了改进。改进后的结构重量减轻，同时结构的刚强度得到了显著提高。这也表明，拓扑优化方法对机载雷达特别是天线座的结构设计非常适合。

[1] 贺李平. 雷达结构仿真技术的发展[C]//第十二届全国雷达学术会议论文集. 武汉: 空军预警学院, 2012.

[2] 贺李平. 机载SAR天线座连接支架的拓扑优化设计[J]. 电子机械工程, 2014, 30(1): 52-54, 64.

[3] 姜洋, 袁新江, 杜春江. 机载天线座万向支架的结构优化[J]. 电子机械工程, 2011, 27(5): 22-24, 60.

黄 潇(1987-)，女，工程师，主要从事雷达仿真分析与优化设计工作。

Structure Optimization of Antenna Pedestal in Airborne Radar

HUANG Xiao

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The design of airborne radar should meet the strength and lightweight requirements. In this paper, an antenna pedestal of airborne radar is optimized based on topology optimization method, with the volume minimization as design aim, the unit density as design variable and the node displacement limit as constraint. Comparing the optimized design with original one shows that the weight of the structure is reduced and at the same time the rigidity of the structure is obviously improved. This also shows that the topology optimization method is very suitable for the structure design of airborne radar especially the antenna pedestal.

airborne radar; antenna pedestal; structure design; topological optimization

2015-06-26

TN820.8+2

A

1008-5300(2015)05-0035-03