基于ANSYS的某型雷达稳定平台的有限元分析与优化

薛珊，李彦军，王一凡，孟宪宇，赵运来，徐龙

（1.长春理工大学　机电工程学院，长春　130022；

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春　130033）

基于ANSYS的某型雷达稳定平台的有限元分析与优化

薛珊1，李彦军1，王一凡2，孟宪宇1，赵运来1，徐龙1

（1.长春理工大学机电工程学院，长春130022；

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

针对某方提出的在能实现功能的基础上，质量更轻、刚度更大的要求，设计了某型雷达稳定平台。运用Creo软件进行了雷达稳定平台的建模，简化后导入ANSYS软件中建立有限元模型。在建立有限元模型时，分别采用了不同划分网格的方法。改变了网格划分的方法，改变网格的关联中心，改变网格的关联度，改变网格细化度，进行网格质量比较，最终得到网格质量最好的有限元模型。网格畸变度从0.6达到了0.27。进一步改变平台的材料，并进行了模态分析，得到了平台前六阶固有频率。分析结果表明，改进设计使刚度基本不变，但是质量减轻了34.5kg，减轻了17.7%。稳定平台的结构设计方法、提高网格质量的方法和材料的改变方法，为同类设计与分析提供了参考。

雷达稳定平台；网格划分；模态分析；有限元分析

军舰作为海上的一支重要力量，其海上生存、侦察、攻击能力是十分重要的。作为提高军舰的生存能力、侦察和反侦察的舰载雷达引起了人们的关注，而作为能使雷达正常运行、隔绝船摇的雷达稳定平台也成为了人们关注的热点。如何在满足性能的要求下设计出重量轻、体积小、精度高、刚度大、动态性能好的雷达稳定平台一直是近年来研究的热点［1，2］。

针对提出的要求进行了某型雷达稳定平台的设计，使之达到功能要求，可以隔绝船摇。进而对平台进行了有限元模型的建立。在建立有限元模型时分别采用了不同划分网格的方法，并对划分结果进行对比。采用最优的网格建立模型，改变平台材料进行优化设计，分别对两种平台进行了模态分析，分析结果表明，改变材料质量变轻，刚度不变。

1　某型雷达稳定平台的结构设计

设计的雷达稳定平台需要能够使雷达隔绝船摇，即设计的雷达稳定平台最终可以使雷达既绕方位轴转动，又绕俯仰轴转动。

设计的某型雷达稳定平台主要包括方位部分、俯仰部分、负载平台、底座等。方位部分主要包括方位轴及方位轴外壳、方位轴内转子力矩定子及转子、编码器、轴承、螺栓、陀螺仪等。俯仰部分主要包括俯仰轴及俯仰轴外壳、俯仰轴内转子力矩定子及转子、轴承、螺栓、陀螺仪等。

运用Creo2.0软件对其进行了数字化建模，平台的结构示意图如图1所示。当方位轴转动时带动整个俯仰部分绕着方位轴进行转动，同时，俯仰部分绕着俯仰轴进行转动，最终达到负载平台可以既绕着方位轴转动，又可以绕着俯仰轴转动，可以使其上的雷达各个角度转动，达到功能要求。

图1　某型雷达稳定平台结构示意图

某型雷达稳定平台的初步设计为材料均采用Q235钢的设计。为了减轻平台质量，进行了改进设计，采用了半钢半铝的设计，把平台不承受很大力的部分采用了铝。

2　某型雷达稳定平台的有限元模型建立

2.1模型简化

所设计的平台零件较多，且各个零件间的连接关系较为复杂，因此必须在满足计算精度的范围内进行简化模型［3］。模型的简化直接影响着计算的准确度和计算速度。在Creo软件中将倒角、直径小于2mm的孔去掉，将编码器、陀螺仪等零件简化为一体。简化后的模型如图2所示。

图2　稳定平台的简化模型

2.2材料选择

初步设计是采用全钢材料的全钢结构。改进设计是采用半钢半铝材料的钢铝混合结构。材料参数如表1所示。

表1　所选材料的参数

两种不同设计得到的重量分别为：全钢结构重196kg，钢铝混合结构重161.3kg。改进设计的平台轻了34.7kg，使初始设计减轻了17.1%的质量。

2.3网格划分

将简化后的模型导入Ansys中，赋予材料，进行网格划分。网格划分向来是有限元建模的难点。网格划分的好坏直接影响着结果的准确性。网格越小，计算结果越精确，但计算速度越慢。网格过小还会出现应力奇异现象，导致结果失真［4］。

网格划分的水平很大程度上决定有限元模型建立的水平。网格划分的好坏主要评判标准是畸变度［5］。网格的划分方法很多，对设计的雷达稳定平台分别采用了六面体划分方法和四面体划分方法对网格质量比较；对平台采用了添加关联性和不添加关联性的网格质量比较；对平台采用了改变关联性中心的网格质量比较；对平台细化和不细化的网格质量比较。网格比较如图3至图7所示。

图3　平台采用四面体划分的网格及其质量

图4　平台采用六面体划分的网格及其质量

图5　平台采用六面体划分+细化的网格及其质量

图6　平台采用六面体划分+关联性100及其质量

图7　平台采用六面体划分+细化+关联性100的网格及其质量

图8　平台采用六面体划分+细化+关联中心好的网格及其质量

图9　平台采用六面体划分+细化+关联中心好+关联性100的网格及其质量

由图3至图9所示，采用不同网格划分方法，所得的网格质量的重要评判参数畸变度分别为0.6、0.54、0.42、0.45、0.38、0.32、0.27。畸变度（Skewness）为0～1的数，数值越小说明网格质量越好。对比网格划分方法和网格质量得出，采用六面体划分方法，加上细化网格，添加关联性，改变关联中心程度会使网格的质量变好。

3　模态分析

机械系统的固有特性是固有频率，机械系统一旦确定，其固有频率就确定下来［6］。为避免系统发生共振而造成损伤和破坏，必须知道系统的固有频率，使其远离外界干扰频率。进行模态分析是为了在产品设计阶段得到系统的固有频率和振动型式，同时模态分析也是进行其他动态特性分析的基础［7］。

分别对全钢结构的初步设计和钢铝混合结构的改进设计进行模态分析，其结果如图10和图11所示。两种设计的固有频率对比表格如表2所示。

图10　初步设计全钢结构的六阶固有频率

图11　改进设计钢铝混合结构的六阶固有频率

表2　两种设计的模态分析结果

两种设计的一阶模态分别如图12和图13所示。

图12　全钢结构的一阶模态

图13　钢铝混合结构的一阶模态

由图10至图13和表2可以得出，初步设计全钢结构的平台和改进设计钢铝混合结构的平台的六阶固有频率基本相同，尤其一阶固有频率基本相同。一阶固有频率大小代表着相对刚度的大小，表明两种设计的刚度基本相同。

4　结论

设计的某型雷达稳定平台能够满足功能要求，并运用Creo软件对其进行了数字化建模。运用不同的网格划分方法，建立了平台的有限元模型，诸如是否添加关联性，是否改变关联中心，是否细化来对比网格划分的质量。最终采用质量最好的网格建立有限元模型。通过对比提出了建立更好网格的方法。同时，对初步设计和改进设计进行了模态分析，结果表明改进设计刚度不变，质量减轻了17.7%。

［1］ 段勇军，顾吉丰，平丽浩，等.雷达天线座模态分析与试验研究［J］.机械设计与制造，2010（2）：214-216.

［2］ 冯跃.空间二轴转台动力学分析和试验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

［3］ 薛华夏，俞竹青.某型机载雷达天线稳定平台的设计及有限元分析［J］.制造业自动化，2015，37（9）：120-123.

［4］ 李先鹏，陈光阔，韩兴昌.扭矩轴类零件有限元分析方法探讨［J］.制造业自动化，2015（4）：86-87.

［5］ 焦华超，孙文磊.大型风力发电机叶片在三维旋转状态下的气动特性分析［J］.机械设计与制造，2012（6）：98-100.

［6］ 杨钊.某雷达天线座结构分析与设计［D］.成都：电子科技大学，2013.

［7］ 李学京，刘燕，陈鲍.大型旋转设备限位装置的设计及ANSYS分析［J］.机械设计与制造，2013（4）：17-19.

Finite Element Analysis and Optimization of a Certain Type of Radar Stabilized Platform Based on ANSYS

XUE Shan1，LI Yanjun1，WANG Yifan2，MENG Xianyu1，ZHAO Yunlai1，XU Long1
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

The radar platform has been designed，which meets the requirements of the functional requirements，and meets the requirements of the quality of the light.Use Creo software to carry out the modeling of radar stabilized platform and the finite element model is established in the ANSYS software.In the establishment of the finite element model，the method of dividing the grid is used.By changing the method of grid division，changing the grid's Association Center，changing the mesh's correlation degree，changing the mesh refinement degree，the grid quality is compared，and finally the best finite element model is obtained.Skewness degree from 0.6 to 0.27.Further change the platform's material，and carry out the modal analysis，get the first six order natural frequency.The analysis results show that the improved design makes the stiffness basically unchanged，but the quality is reduced by 34.5Kg，and the quality is reduced by 17.7%.The structure design method of the stable platform，the method of improving the quality of the grid and the method of changing the material provide a reference for the similar design and analysis.

radar stabilized platform；grid division；modal analysis；finite element analysis

TH122

A

1672-9870（2015）06-0055-04

2015-11-04

吉林省科技发展计划项目（20126017）

薛珊（1978-），女，博士，副教授，E-mail：xueshan@cust.edu.cn

王一凡（1958-），男，研究员，E-mail：bexuexue@163.com