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1天線外流場結構優化設計方法

與車載、固定式雷達有所不同，艦船用雷達通常要求的正常工作風速和不破壞狀態風速都比較高。艦船用雷達的天線轉臺系統所受的載荷通常包括風載荷、慣性載荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪載荷和溫度載荷等幾種類型。根據艦船正常工作環境和設計要求，正常工作和不破壞條件下的相對風速都非常高，風載荷在艦船用雷達天線轉臺系統所受的載荷中通常是最大的一個因素。在某些項目中，系統結構需要克服的風載荷占總載荷的比例超過80%。因此，降低天線轉臺系統的風載荷是提高艦船用雷達天線轉臺系統適裝性和雷達結構可靠性非常有效的途徑。

本文提出了一種艦船用雷達天線外流場結構優化設計方法，通過將雷達天線數值風洞技術和外形結構設計理論相結合，并通過風洞試驗進行比對和驗證，用于指導雷達天線結構方案設計，有效地降低了雷達天線轉臺系統所受的風載荷，為下一步的結構優化減重設計打下良好的基礎。目前，降低天線轉臺系統風載荷的主要手段是通過持續多輪次的風洞試驗。在此過程中，需要不斷地通過改進天線外形結構，并不斷地進行風洞試驗。而每次更改天線外形結構都需要重新設計和加工風洞試驗模型，費時費力，成本也比較高。用CFD方法對雷達天線外流場氣動力學數值模擬分析正逐步成為雷達天線設計初期的很有效的手段，其缺點是計算量大。

隨著近年來處理器性能大幅提高，雷達天線外流場數值模擬分析方法的快速和成本優勢正逐漸顯現。目前，在雷達天線外流場結構優化設計方面有著良好的應用前景［5-8］。本文提出的艦船用雷達天線外流場結構優化設計方法，其主要特征和流程如圖1所示，主要包括以下步驟:步驟1初始外形結構方案:根據雷達總體技術和適裝性要求，結合雷達工作的環境條件，給出雷達天線的初始外形結構方案;步驟2三維實體建模:根據雷達天線外形結構方案，進行三維實體建模;步驟3根據CFD特點對外形結構進行簡化:外形結構簡化，使得數值模擬計算的效率和準確性都能兼顧;步驟4數值模擬:進行天線外流場數值模擬計算;步驟5仿真分析結果輸出:對仿真分析結果進行后處理后輸出;步驟6根據風洞試驗特點對外形結構進行簡化:外形結構簡化，使得風洞試驗模型的可加工性和試驗準確性都能兼顧;步驟7風洞試驗:進行天線轉臺系統模型風洞試驗;步驟8風洞試驗結果輸出:對試驗結果進行處理后輸出;步驟9外形結構方案更新:對天線外形結構進行優化設計，進行新的數值模擬和風洞試驗重復步驟3～8，直至優化設計結束。通常步驟3～5的重復次數要比步驟6～8的重復次數多，因為不是每次數值模擬的結果都有價值。如果仿真分析結果表明某外形結構方案的風載荷比初始結構方案的風載荷還要大，就不需要進行風洞試驗，而直接進入步

2結構優化減重設計

在雷達天線外流場結構優化設計技術的基礎上得出雷達天線轉臺系統所受的總載荷。根據天線轉臺系統所受的總載荷，對結構件進行剛強度設計和校核，開展天線轉臺系統結構優化減重設計工作。目前，主要從以下幾個方面開展了工作，并取得了一定的進展。

(1)收發分機冷卻方式的選擇固態收發分機裝放在相對密閉的機架箱體內，采用整體防雨雪、模塊化設計。其中TR組件、大功率電源等模塊在工作中會產生大量的熱量，對工作環境有一定的要求，尤其是TR組件的殼體溫度要求不大于70℃。整個收發分機的總發熱量接近10kW。為了將收發分機的熱量有效地散發出去，可選的冷卻方式主要有敞開式強迫風冷、循環風冷和循環水冷等3種。不論采用何種冷卻方式，冷卻介質都需要通過多路介質環輸送到收發分機內部。經過深入分析和調研，對采用這3種冷卻方式下的天線轉臺系統重量進行了詳細的估算，只有在收發分機采用循環水冷的冷卻方式下天線轉臺系統的重量才可能低于1200kg。最終選定循環水冷作為收發分機的冷卻方式。

(2)動力傳動系統優化設計按照艦船用雷達正常工作相對風速要求，得出了方位電機的扭矩和功率需求，以此為依據選定電機。由于外形結構的原因，盡管該項目雷達天線系統的重量和轉動慣量比某大型艦船用中遠程三坐標雷達天線系統要小很多，但是由于方位風力矩較大，所需的方位電機功率不小于15．1kW，而后者的方位電機功率需求不大于13．9kW。在執行電機選擇時，由于系統為長期連續變載荷工作的驅動系統，需要根據“慣量匹配”的方法來選擇電機。根據功率需求，有3種電機可選，重量分別為50、67和86kg。經過認真的比對篩選以及慣量匹配計算，最后選用了小慣量電機，負載慣量折算到電機軸上兩者之比為2．59，能夠滿足使用要求，且伺服控制性能也比較好。兩型雷達所用電機功率和重量等參數如表1所示。可以看出，在滿足載荷要求的前提下，該項目選用的電機額定功率更大，但是重量更小，從而有效地降低了天線轉臺系統的重量。

(3)結構優化減重設計和剛強度校核計算天線轉臺系統方案設計的一個重要依據是負載計算結果。根據載荷計算結果來進行結構件的剛強度校核和電機功率校核，從而進行結構方案設計和電機、減速箱選型。首先進行關鍵受力構件的結構設計，并進行三維建模。根據載荷計算結果，對關鍵受力構件進行了初次的剛強度計算和校核。接著，根據初步的剛強度計算結果以及結構學和力學的相關知識，進行關鍵受力構件的優化減重設計，甚至是重新設計。然后，對優化減重設計后的關鍵受力構件進行剛強度計算和校核。上述過程反復進行，才能有效地減輕關鍵受力構件的重量，從而降低天線轉臺系統的重量，達到結構優化減重設計的目的。減重優化設計和剛強度校核計算流程剛強度分析僅僅是個目的而不是結果。對于有限元分析得出的應力應變分析結果，如果表明最大應力點的應力遠小于材料的可承受應力水平，最大變形遠小于設計要求，表明結構件的剛強度能夠滿足設計要求，而且設計較為保守。要想達到優化減重的目的，需要進一步設計和分析，根據仿真分析結果，對結構件進行優化設計，該加強的部位加強，該減重的部位就要進行減重設計。這個過程是一個不斷反復的過程，而且非常繁瑣，需要花費大量的時間和精力，才能取得比較好的效果。在結構優化減重設計過程中，必須始終保證關鍵受力構件的強度留有足夠的余量，以確保雷達天線轉臺系統的結構可靠性和穩定性。

3輕型材料及其工藝技術研究

艦船雷達裝備結構上大部分采用鋼材、鈦合金或鋁合金，并有一定數量采用復合材料。在該演示驗證雷達天線轉臺系統方案中，就采用了輕型金屬材料鈦合金和鋁合金，并采用了一定數量的復合材料。目前，真正用在雷達結構上的高性能復合材料還不多。為了提高雷達抗惡劣環境條件的能力，實現雷達的輕量化和小型化，一些先進的復合材料，如碳纖維復合材料，隨著工藝技術的進一步發展和材料成本的逐步降低，必將在雷達結構中得到越來越多的應用。在選用工程材料或復合材料時，還必須考慮材料的使用性能、工藝性能和經濟性，并根據所用的材料選擇相應的工藝處理方式，通過工藝處理獲得所需要的力學或工藝性能。

4適裝性結構優化設計結果

結合某項目雷達天線轉臺系統，從天線外流場結構優化設計技術、結構優化減重設計、輕型材料及其工藝技術研究等方面進行了分析和論證，取得了較好的效果，最終達到了預期目的。該項目雷達天線轉臺系統優化前后的重量比較

5結束語

本論文中提出和采用的天線轉臺系統適裝性結構優化設計的技術思路和方法，適用于該項目雷達天線轉臺系統的適裝性結構優化設計，取得了較好的效果。由于所采用的技術路線、技術手段和仿真分析工具具有一定的普遍性，因此，本文提出的技術思路和方法也可以廣泛應用在其他裝備產品的適裝性結構優化設計中，尤其是艦船用雷達天線轉臺系統適裝性結構優化設計工作中。

作者：趙廣濤李潤林薛宜童單位：中國船舶重工集團公司第七二四研究所