雷达天线系统结构优化设计论文.doc

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1、雷达天线系统结构优化设计论文1天线外流场结构优化设计方法与车载、固定式雷达有所不同，舰船用雷达通常要求的正常工作风速和不破坏状态风速都比较高。舰船用雷达的天线转台系统所受的载荷通常包括风载荷、惯性载荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪载荷和温度载荷等几种类型。根据舰船正常工作环境和设计要求，正常工作和不破坏条件下的相对风速都非常高，风载荷在舰船用雷达天线转台系统所受的载荷中通常是最大的一个因素。在某些项目中，系统结构需要克服的风载荷占总载荷的比例超过80%。因此，降低天线转台系统的风载荷是提高舰船用雷达天线转台系统适装性和雷达结构可靠性非常有效的途径。本文提出了一种舰船用雷达天线外流场结构优化设计方

2、法，通过将雷达天线数值风洞技术和外形结构设计理论相结合，并通过风洞试验进行比对和验证，用于指导雷达天线结构方案设计，有效地降低了雷达天线转台系统所受的风载荷，为下一步的结构优化减重设计打下良好的基础。目前，降低天线转台系统风载荷的主要手段是通过持续多轮次的风洞试验。在此过程中，需要不断地通过改进天线外形结构，并不断地进行风洞试验。而每次更改天线外形结构都需要重新设计和加工风洞试验模型，费时费力，成本也比较高。用CFD方法对雷达天线外流场气动力学数值模拟分析正逐步成为雷达天线设计初期的很有效的手段，其缺点是计算量大。4学海无涯随着近年来处理器性能大幅提高，雷达天线外流场数值模拟分析方法的快速和

3、成本优势正逐渐显现。目前，在雷达天线外流场结构优化设计方面有着良好的应用前景［5-8］。本文提出的舰船用雷达天线外流场结构优化设计方法，其主要特征和流程如图1所示，主要包括以下步骤:步骤1初始外形结构方案:根据雷达总体技术和适装性要求，结合雷达工作的环境条件，给出雷达天线的初始外形结构方案;步骤2三维实体建模:根据雷达天线外形结构方案，进行三维实体建模;步骤3根据CFD特点对外形结构进行简化:外形结构简化，使得数值模拟计算的效率和准确性都能兼顾;步骤4数值模拟:进行天线外流场数值模拟计算;步骤5仿真分析结果输出:对仿真分析结果进行后处理后输出;步骤6根据风洞试验特点对外形结构进行简化:外形结

4、构简化，使得风洞试验模型的可加工性和试验准确性都能兼顾;步骤7风洞试验:进行天线转台系统模型风洞试验;步骤8风洞试验结果输出:对试验结果进行处理后输出;步骤9外形结构方案更新:对天线外形结构进行优化设计，进行新的数值模拟和风洞试验重复步骤3～8，直至优化设计结束。通常步骤3～5的重复次数要比步骤6～8的重复次数多，因为不是每次数值模拟的结果都有价值。如果仿真分析结果表明某外形结构方案的风载荷比初始结构方案的风载荷还要大，就不需要进行风洞试验，而直接进入步2结构优化减重设计在雷达天线外流场结构优化设计技术的基础上得出雷达天线转台系统所受的总载荷。根据天线转台系统所受的总载荷，对结构件进行刚强度

5、设计和校核，开展天线转台系统结构优化减重设计工作。目前，主要从以下几个方面开展了工作，并取得了一定的进展。(1)收发分机冷却方式的选择固态收发分机装放在相对密闭的机架箱体内，采用整体防雨雪、模块化设计。其中TＲ组件、大功率电源等模块在工作中会产生大量的热量，对工作环境有一定的要求，尤其是TＲ组件的壳体温度要求不大于70℃。整个收发分机的总发热量接近10kW。为了将收发分机的热量有效地散发出去，可选的冷却方式主要有敞开式强迫风冷、循环风冷和循环水冷等3种。不论采用何种冷却方式，冷却介质都需要通过多路介质环输送到收发分机内部。经过深入分析和调研，对采用这3种冷却方式下的天线转台系统重量进行了详细

6、的估算，只有在收发分机采用循环水冷的冷却方式下天线转台系统的重量才可能低于1200kg。最终选定循环水冷作为收发分机的冷却方式。(2)动力传动系统优化设计按照舰船用雷达正常工作相对风速要求，得出了方位电机的扭矩和功率需求，以此为依据选定电机。由于外形结构的原因，尽管该项目雷达天线系统的重量和转动惯量比某大型舰船用中远程三坐标雷达天线系统要小很多，但是由于方位风力矩较大，所需的方位电机功率不小于15．1kW，而后4学海无涯者的方位电机功率需求不大于13．9kW。在执行电机选择时，由于系统为长期连续变载荷工作的驱动系统，需要根据“惯量匹配”的方法来选择电机。根据功率需求，有3种电机可选，重量分别

7、为50、67和86kg。经过认真的比对筛选以及惯量匹配计算，最后选用了小惯量电机，负载惯量折算到电机轴上两者之比为2．59，能够满足使用要求，且伺服控制性能也比较好。两型雷达所用电机功率和重量等参数如表1所示。可以看出，在满足载荷要求的前提下，该项目选用的电机额定功率更大，但是重量更小，从而有效地降低了天线转台系统的重量。(3)结构优化减重设计和刚强度校核计算天线转台系统方案设计的一个重要依据是负载计算结果。