基于ANSYS的某雷达天线CAE分析
引言
雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成。雷达天线作为雷达系统的一个重要组成部分，它支撑着振子、电器等部件，而且雷达天线在工作时承受重力、风载、惯性载荷等，其性能的好坏直接影响着雷达系统的工作情况。
雷达天线作为辐射和接收雷达电磁波的主体，要求其在恶劣环境下也能保证安全工作并满足天线精度指标要求;所以雷达天线要求刚度大、强度高且质量轻。过去通常采用传统设计分析手段来完成雷达天线的设计，比如按规范设计、实验方法和经验方法等设计方法，这样设计出来的天线往往结构比较庞大而且可靠性较差。
近年来，计算机辅助技术发展及推广应用，对提高雷达天线的设计水平起到一定的推动作用。应用ANSYS软件对某雷达天线改进前后的结构进行对比分析，为雷达天线的改进设计提供了依据。
1 雷达天线的有限元分析
文中研究的雷达天线由主塔、横臂、框架和斜拉杆等部分组成(见图1)，塔体的底部4个支脚与转盘相连，从而带动整个天线转动。同时，为了满足雷达天线电性能的要求，还需在雷达天线侧臂和框架的不同层面上安装振子和功分器，以及在雷达天线的顶部安装一个询问机。
根据天线工作状态不同和气候情况，特针对以下三种典型工况进行有限元分析:1)风速v=35m/s时，天线转速n=0；2)风速v=20 m/s，天线与地面夹角为0°(天线处于倒架状态时，主塔没有起到支撑作用)；3)风速v=25m/s，天线转速n=6r/min。为了保证天线能正常工作，在上述三种工况下，天线受到的最大应力要小于材料的许用应力。
1.1 有限元模型的简化
由于雷达天线是一个机电结合为一体的装置，结构较复杂，为了更好地分析雷达天线各部分受力及位移情况，需对其有限元模型进行一些合理的简化:
1. 把天线各塔和框架之间的焊接处简化成节点连接，且假设各节点间的连接为刚性的;
2. 把每个振子和功分器分别简化为等效集中质量作用在天线侧臂和框架的腹杆上;
3. 把询问机简化为两个等效集中质量作用在天线的顶部，将它可能受到的最大的风载荷分解为等效的力和力矩作用在天线的顶部;
4. 在分析天线倒架工况时，把升降系统的板和支座简化为较大直径的杆连接在主塔上。
1.2 定义单元类型、实常数及材料属性
雷达天线所用的材料是16Mn，密度ρ=7833k/m，弹性模量E=206Gpa，泊松比u=0.3，许用应力[σ]=163MPa。由于雷达天线是三维杆件结构，选用三维弹性梁单元BEAM44能较好的反映天线的实际受力情况，然后根据天线所用的管材的材料和尺寸设置各杆件的几何特性和材料属性。对于集中质量选用质量单元MASS21。
1.3 载荷计算和边界条件
1.3.1 载荷计算
从雷达天线的实际工况可知，风载、自重以及天线上安装的振子等设备是其主要的载荷形式。文中将天线的风载简化为分布在受力各杆上的阶梯形均布力。
1.3.2 边界条件
1)天线立起时的边界条件。天线工作时底部4个支脚与基座转盘由螺栓联接，此时把底盘看成是刚性的，因此无论静止还是旋转过程中，都可认为支脚是固定的；
2)倒架时的边界条件。天线在运输过程中以及非常恶劣的气候条件下需倒架放置，因此在天线的底部连接一升降装置，以保证天线的平稳起落。此时天线约束情况如图2所示，1、2两节点处未限制X方向转动，以完成天线立起与倒架两位置的转换;丝杆与升降装置连接处的节点3同样也可绕X轴方向转动，由丝杆的长短变化可以达到升降的目的。 #p#page_title#e#
1.4 结果分析
表1给出了改进前天线分别在三种工况下的最大拉应力、最大压应力以及最大位移。
根据有限元分析可以发现上述三种工况下所受的最大拉应力一般都出现在框架与二塔连接处迎风面上、一塔二塔的连接处迎风面上以及一塔二塔上的一部分杆件的迎风面上；所受的最大压应力一般都出现在一塔的根部、框架一与二塔连接处背风面七以及一塔二塔上的一部分杆件的背风面上；最大位移一般都出现在横臂的左右两外侧上。
由表1可知，在工况二时，天线受到的最大应力要大于16Mn的许用应力，故需对该结构进行优化改进。
2 改进后雷达天线的有限元分析
雷达天线是一种钢架结构，钢架结构优化方法可分为三个方面：一是优化各杆件的截面尺寸，称为尺寸优化;二是优化结构杆件的几何位置，称为几何优化；三是优化杆件的数量及其连接关系，称为拓扑优化。本雷达天线的结构改进主要采用几何优化的方法。
根据雷达天线的设计要求以及改进前应力分布情况，对雷达天线的结构作了适当的调整改进，改进后的结构如图3所示。改进前后雷达天线的尺寸及质量比较见表2。
由表2可以发现，改进后的雷达天线与改进前相比结构简单、几何尺寸小、重心位置低、重量轻，稳定性好且节省材料。
为了更好的分析改进后雷达天线结构应力及位移情况，针对上述三种工况对改进后的雷达天线进行有限元分析，分析结果见表3。
比较表3和表1可以发现，改进后天线结构在各工况下的应力状况都得到了改善，最大位移在允许范围内。根据有限元分析可知，改进后雷达天线在上述三种工况下的最大拉应力、最大压应力及最大位移发生的位置与改进前基本相似。
3 结束语
(1)通过对改进前后的雷达天线分析比较可知改进后的雷达天线在各种工况下的应力情况都得到很大的改善，而且都小于所选材料(16Mn)的许用应力，所以改进后的雷达天线结构是合理的且优于改进前的结构。
(2)利用有限元方法对雷达天线结构进行结构优化，可以降低设计成本，缩短设计周期。
