马跃峰张筱何冠杰北京航天发射技术研究所北京
摘要：针对某型号天线车的天线塔系统试验过程中存在的结构刚强度不足问题，通过开展机理分析，在天线塔原有结构基础上，根据天线塔载荷边界对天线塔本体和翻转支架结构进行改进设计，并利用有限元方法对改进结构进行计算确认。天线塔系统改进后经过多次试验验证，产品状态良好，改进效果明显。文中所述措施可供同类产品参考使用。
关键词：天线塔系统；刚强度；改进
中图分类号：V.37文献标识码：B文章编号：-（）10--04
天线塔系统为天线车载车系统的重要组成部分，通常由天线塔和雷达天线组成[1]，是天线车载车系统的核心部件。天线塔系统主要用于雷达天线的直接装载与支撑，以及在不同工况下配合液压及其控制系统共同完成雷达的起竖及翻转动作，并保持姿态锁定[2]。
1天线塔系统结构组成天线塔系统主要由下级天线塔、上级天线塔、天线塔基座和天线塔翻转支架等组成，如图1所示。
1．天线塔基座2.下级天线塔3.上级天线塔4.天线塔翻转支架5.上级塔翻转液压缸6.下级塔起竖液压缸图1天线塔系统结构示意图
下级天线塔和上级天线塔之间通过翻转轴连接，翻转轴穿过下级天线塔上的自润滑轴承，上级天线塔绕翻转销轴实现转动。连接结构形式见图2。
1.上级天线塔2.下级天线塔3.自润滑轴承4.翻转轴图2上级塔与下级塔连接示意图
天线塔翻转支架与上级塔翻转液压缸配合实现上级天线塔°翻转，翻转支架主要由上连杆、下连杆和连接轴组成。其中，上、下连杆为钢板折弯后对焊而成，中间设计连接轴用于提升翻转支架的整体刚强度，连接轴两端用于连接翻转液压缸。天线塔翻转支架结构见图3。
2天线塔系统结构强度分析天线塔系统在随天线车进行出厂前上级塔维修工况0°~°翻转试验过程中，当上级塔翻转至约°时，上级塔以及翻转支架上下连杆局部结构变形过大，已出现明显屈服，且翻转支架端部已出现裂纹，现场试验情况如图4所示。
1.上连杆2.连接轴3.下连杆图3翻转支架结构示意图
图4天线塔系统试验及裂纹位置示意图
针对天线塔系统刚强度问题，以结构刚强度不足为顶事件，对故障现象进行分析，分别从生产质量、试验载荷控制、设计计算等环节对翻转支架进行复查，故障树如图5所示。
通过对天线塔系统生产过程进行复查，产品生产所用原材料、结构加工和焊接工艺、产品尺寸等均按设计要求开展，生产过程文件记录均可查，因此生产质量满足设计文件要求。
图5天线塔系统刚强度不足问题故障树
天线塔试验所用模拟天线负载根据设计任务书要求生产，产品质心、接口尺寸等均满足任务书要求，因此试验载荷不满足任务书要求的底事件也可排除。对天线塔设计计算情况进行复查，通过对载荷工况进行复算，上级天线塔翻转过程中翻转支架承受拉载荷和压载荷，而原结构在设计计算时未考虑拉载荷工况，对翻转支架承受拉载荷工况进行复算[3]，上连杆的计算结果见图6，最大应力MPa，所用材料Q，已超出材料屈服极限。此外，上级塔翻转销轴采用两个短销轴形式，在翻转过程中短销轴抗弯能力不足，结构仅靠固定短销轴的8mm侧板抗弯，导致上级塔侧板局部变形较大，上级塔结构复算结果见图7和图8，结构最大应力MPa，最大变形6.34mm，上级塔材料Q，已超出材料屈服极限，因此天线塔系统结构刚强度明显不足。
图6翻转支架上连杆应力云图
图7上级天线塔应力云图
图8上级天线塔位移云图
3天线塔系统结构改进方案根据上述计算结果，天线塔系统刚强度不满足要求，需要对结构进行改进。针对天线塔系统结构特点和承载要求，通过增加天线塔本体的刚度与翻转支架的强度来改进天线塔系统整体承载性能[4]。
3.1翻转支架结构改进经过对原翻转支架结构复算，当承受拉载荷时，上、下连杆的端部应力均远远超过抗拉强度，因此对翻转支架的连杆进行强度优化设计。更改结构对比见图9。
(a)原连杆结构(b)改进后连杆结构图9翻转支架连杆改进方案对比
原翻转支架上下连杆连接叉结构两端均为8mm厚度的Q钢板，改进后上下连杆连接叉的厚度增大为15mm，材料选40Cr。上下连杆与天线塔连接部位由原开口结构改为封闭结构，且侧板厚度由8mm改为15mm。
改进后结构计算结果见图10和图11，结构最大应力.6MPa，所用材料40Cr的屈服极限MPa，安全系数大于1.5，因此结构强度满足要求。
图10改进结构压载荷计算结果
3.2天线塔本体结构改进原天线塔系统翻转支架与天线塔本体连接轴为短轴结构，短轴在天线塔本体的侧壁生根，而天线塔本体侧壁厚度仅为8mm，当承受载荷时侧壁局部刚度明显不足，因此需要对天线塔本体的连接刚度进行改进。具体改进措施为首先将原两个短轴改为一根贯通天线塔的长轴，长轴与翻转支架连接部位直径保持60mm不变，长轴在天线塔内部的直径尽量大，最终确定为mm，更改前后对比见图12。
图11改进结构拉载荷计算结果（a）原结构(b)改进后结构
图12天线塔本体改进方案对比
此外，为进一步增加天线塔本体的局部刚强度，在与翻转支架连杆连接部位的外侧补焊一块加强板，见图13。加强板厚度10mm，材料选用Q钢板，与天线塔本体材料一致。
改后结构计算结果见图14，天线塔本体最大应力MPa，所用材料为Q钢板，屈服极限MPa，安全系数1.64，因此刚强度满足要求。
图13上级天线塔增加加强板示意图
4天线塔系统试验验证经过对天线塔系统的翻转支架、天线塔本体结构进行改进设计，有效解决了产品原结构方案所产生的刚强度不足问题。翻转支架和天线塔本体改进结构生产、装配完成后，配合天线车完成满载起竖试验、维修工况全程动作试验、风载试验等试验项目，试验后产品状态良好。
图14上级天线塔改进结构应力云图
5结论本文针对天线塔系统试验过程中存在的结构刚强度不足问题进行分析，根据天线塔结构特点和载荷边界对翻转支架、天线塔本体的结构刚强度进行改进设计，并对改进结构进行计算确认。
天线塔系统改进后经过多次试验验证，功能性能均满足产品使用要求，产品状态良好，改进效果明显。
参考文献[1]张增太,房景仕.某雷达天线举升翻转机构的设计[J].雷达科学与技术,(4):-.[2]程海平.某雷达转台翻转机构一体化设计与分析[J].电子机械工程,,24（5）:18-21.[3]张建伟.ABAQUS6.12有限元分析[M].北京：机械工业出版社，.[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，.