天线罩测试转台结构静动态特性仿真分析

张斌　徐方舟　郭爱民

摘  要：采用有限元分析方法，借助HyperMesh软件建立了天线罩测试转台的全机有限元计算模型，并归纳了同类机械结构有限元建模过程中的几个重点问题;使用RADIOSS求解器进行仿真计算，得到了转台结构的静动态特性分析结果，并根据分析结果对结构设计提出了相关优化依据。

关键词：天线罩测试转台;静动态分析;有限元分析

中图分类号：TN820        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）23-0012-04

Abstract： Using the finite element analysis method， the finite element calculation model of the Radome test turntable is established with the help of HyperMesh software， and several key problems in the finite element modeling process of similar mechanical structures are summarized; the simulation calculation is carried out using RADIOSS solver， the static and dynamic characteristic analysis results of the turntable structure are obtained， and the relevant optimization basis for the structural design is put forward based on the analysis results.

Keywords： Radome test turntable; static and dynamic analysis; finite element analysis

引言

天线罩测试转台是用于在微波暗室环境中对飞行器天线罩进行透波性能测试的关键设备，它用于模拟飞行器天线罩在空间进行偏航、俯仰、滚转等姿态的运动，属于一种高精度的运动仿真设备。文献[1]中，研究者依据

GJB1801-93方法设计的预备试验定量验证了转台结构变形对转台回转精度影响较大的结论。因此，转台台体结构的静动态力学特性直接影响其测试精度。

从二十世纪八十年代至今，关于转台结构静动态特性的有限元分析已经从线弹性范围内突破至非线性范围（接触问题、疲劳问题），但是大部分实际问题仍可以在线弹性范围内获得理想的分析结果。与此同时，有限元模型本身也随着有限元程序和计算机硬件的发展而向真实结构逼近，网格划分更精密，单元类型更丰富，分析得到的结果更逼近真实结果[2-7]。

天线罩测试转台的机械结构形式较为复杂，从结构力学角度来说，涉及到的结构形式包括：板壳、板壳构成的空腔变截面梁、实体。工程力学所提供的传统静力学计算方法需要对转台的结构模型做过多的假设和简化处理，且动态特性计算困难。因此采用有限元分析方法，借助HypeMesh软件建立完整的有限元计算模型，借助RADIOSS求解器对转台机械结构的静动态特性进行仿真计算。

本文主要论述两个问题：（1）探讨建立转台整机有限元模型的方法和关键技术。（2）利用转台有限元模型进行动静态仿真分析，并依据分析结果提出结构优化依据。

1 转台结构方案及载荷条件

1.1 结构设计方案

天线罩测试转台的机械结构如图1所示，图1左为完整的机械结构，忽略其中的非承载功能性零部件，保留反映机械结构主要力学特性的部件，以便建立合理正确且高效的有限元计算模型。图1右是简化后的受力结构。

转台的主要受力结构主要由底座、方位法兰座、方位主轴、方位摇臂、顶部支撑梁、俯仰左右支撑、自旋定部件等组成。为天线罩提供偏航、俯仰、滚转三个轴系回转运动，三轴在空间要求相互正交，各轴均有独立的驱动元件。

底座由Q235钢板拼焊成型，高刚性为整个转台提供稳定的支撑和位置基准。方位摇臂采用钢板拼焊成型的L形空腔变截面梁，顶部支撑采用钢板拼焊成型的空腔梁，俯仰左右支撑均为箱形结构，自旋定部件因外形复杂而采用实体结构，天线罩通过螺钉连接的方式固定在自旋定部件上。

1.2 载荷条件

天线罩测试转台的结构在整个工作过程中所承受的外载荷主要有三部分：（1）转台及天线罩受重力引起的载荷;（2）轴系启动和制动过程中产生的惯性载荷;（3）电机驱动力矩;转台与地面之间为刚性连接，所有自由度被完全约束。

2 转台结构静动态分析

2.1 有限元模型的建立

对简化后的转台结构建立有限元计算模型。其中关键的问题有如下几个：

（1）几何清理。将不影响结构整体力学特性的小特征（如倒角、退刀槽等小特征）清理掉。以提高模型的网格质量，降低计算成本。

（2）合理选择单元类型。对于实体特征的结构（方位法兰軸、方位主轴、自旋定部件）采用Solid单元建模、板壳特征的结构（底座、方位摇臂、俯仰左右支撑、顶部支撑梁、天线罩）采用Shell单元建模。图2是各部件的有限元模型。

（3）机械联接的处理

转台结构上采用的机械联接方式主要有三种：焊接、螺栓联接、螺钉联接。

焊接作为纯刚性联接来处理，有限元模型中不考虑其弹性使用刚性单元来模拟。RADIOSS求解器提供的REB2刚性单元可以用来模拟这种刚性单元，如图3所示。

螺栓联接和螺钉连接当作弹性联接来处理，有限元模型中考虑螺栓和螺钉的弹性，使用BEAM单元模拟。螺栓及螺钉头与对应区域的作用采用节点耦合或使用蜘蛛梁来模拟[8]，如图4所示。并且在板间接合面定义接触。

经过简化模型、划分网格、处理联接关系、定义材料、定边界条件等工作，建立了完整的转台有限元模型，如图5所示。

2.2 天线罩测试转台静态特性分析

在转台的测试工作过程中，每一次测试都是在转台运动到一个位置停止后进行的，因此只分析在重力载荷下转台结构的静态特性，不考虑每次运动过程中启动与制动带来的惯性载荷。经计算，得到转台结构变形图和应力分布图，如图6和图7所示。

通过计算结果可以看出：（1）转台结构在静载荷作用

下的最大形变位移出现在天线顶端，最大位移为3.69mm，转换为天线轴线偏角为0.08°。由于此变形是各构件的变形的末端累积，因此可以在待测天线安装到位后参考此轴线偏角进行反向调整消除此轴线偏角。（2）最大应力区域出现在俯仰支撑部件以及L形方位摇臂的直角位置，最大Vonmises应力为36.73MPa。应力集中区域材料为Q235钢板，屈服极限为235MPa，远大于结构应力，强度安全系数满足要求。

2.3 天线罩测试转台动态特性分析

本次研究关注的动态特性为转台结构的模态。RADIOSS求解器支持兰索仕方法（Lanczos Method）来求解特征值。提取前6阶的模态，各阶模态的固有频率如表1所示，各阶模态的振型如图8所示。

模态分析的结果可以看出，转台的前4阶固有频率较低，从结构的振动特性来说容易产生低阶共振。但是天线罩测试转台的实际工况是间歇运动，主要的外部激励形式是启动与制动产生的冲击，不存在固定频率的外部激励，因此在此工况下转台结构不会发生共振。但是可以从结构设计的角度采取提高低阶模态固有频率的措施来增强转台结构的动态性能。

3 结束语

（1）总结了涉及多种单元类型混合的复杂装配体结构的有限元建模过程中的重点问题，尤其是常见机械联接的处理方法。并建立了完整的轉台有限元模型。

（2）通过静态特性的仿真计算，验证了转台结构的强度满足要求，转台结构的变形带来的天线轴线偏角值，为转台的调整提供了一个参考值。

（3）通过动态特性的仿真计算，得到了转台结构低阶固有频率较低，结构设计应该增加方位摇臂的整体刚性，以提高结构的低阶模态的固有频率。

参考文献：

[1]潘健，习俊通.基于有限元的三轴测试转台静动态特性研究[J].机械设计与制造，2009（9）：4-6.

[2]陈道南，李合文.QY125型汽车起重机转台有限元分析[J].工程机械，1986（07）：10-14.

[3]刘亚忠，张先彤，孙靖民，等.有限元法在三轴转台机械系统设计中的应用[J].中国惯性技术学报，1996（4）：66-72.

[4]Wang Xinrong， Gao Sunying， Liang Yingehun， et al. Analusis and Computation in Designing A Three Axis Test Table's Mechanical Assembly of Inertial Sysstem.ICCR.1990.

[5]齐海群，谢涛，陈在礼.基于人工神经网络的转台框架结构动力修正[J].哈尔滨工业大学学报，2004（2）：177-179.

[6]刘诗璋.基于遗传算法的转台结构有限元优化设计[J].直升机技术，2002（2）：13-15.

[7]平丽浩，王长武.雷达转台结构部件有限元分析[J].现代雷达，2006（28）：88-91.

[8]魏立队.船用二冲程柴油机及推进轴系的振动建模与仿真研究[D].大连海事大学，2012：50.