低散射金属支架的刚性优化设计

卢 庆

（贵州航天职业技术学院，遵义 563003）

低散射金属支架是微波暗室内测量低散射目标时的支撑结构，是影响RCS（雷达散射截面）测量的重要因素之一。金属支架顶端安装有转顶，可控制顶端的目标±360°连续旋转，并根据采样角度间隔发出同步采样脉冲触发数据采集设备。作为支撑结构的金属支架属于低RCS雷达目标，其产生的非镜面散射的影响非常重要。当入射波照射到金属支架上时，尖顶绕射、镜面反射和边缘产生的几何绕射将对RCS构成主要贡献，这就要求金属支架具有较高的刚性，而金属支架的剖面形状为卵形或枣核形，其前边缘向来波方向是倾斜的，因此，金属支架的刚性计算比较复杂，本文采用有限元分析的方法对其进行了优化设计。

1 设计条件

1.1 外形轮廓

金属支架外形如图1所示，其垂直净高度4m，支架顶端的最大水平尺寸280mm，其外形轮廓垂直于支架后缘边线的截面满足如下方程：

式中，H为沿z方向的高度，H=330～5400mm；t为给定高度时的可变参数，t=0.64～2.61。

1.2 技术指标

如图1所示，金属支架应满足以下指标：支架的前劈刃顶点组成的直线与水平面成65°；金属支架整体由一段组成，内部留有走线孔，采用铸铝材料，底部基座连接，顶部安装转顶，承载50kg，各方向变形最大不超过0.2mm；整体自重不超过400kg，在支架变形允许的范围内具有较小重量值。

2 建三维模型

2.1 方程分析

由式（1）、式（2）可知，当θ一定时，x、y随H成线性关系，并且当，即H=-960.233时，x=0，y=0，即曲线方程汇交于一点，因此，可在SolidWorks中通过“放样凸台/基体”建三维模型。

2.2 建立模型

在Solidworks中建立模型的过程如下：新建零件，在“上视基准面”绘制“草图1”，单击草图工具栏“方程式驱动的曲线”来绘制新曲线；选择方程式类型“参数性”，在“方程式”xt和yt中分别输入“0.314*(1+0.1763*(5400+30)/164)*(EXP(2.5*t)*(0.807*COS(t)-0.59*SIN(t))-1.46885)” 和“0.331*(1+0.1763*(5400+30)/164)*(EXP(2.5*t)*(0.59*COS(t)+0.807*SIN(t))-4.85085)”，在“参数”t1和t2中分别输入“0.64”和“2.51”，绘出的曲线1如图2所示；画一条通过原点的水平构造线作为镜像线，将曲线1通过该线镜像，绘出曲线2，修剪曲线1和曲线2形成一个闭环，如图2所示。

图1 金属支架

图2 草图1

作一平行于“上视基准面”的“基准面1”，“偏移距离”为164/0.1763+30+5400（≈6360.233）；在“基准面1”绘制“草图2”，定义一个“点”与图2所示的B点（曲线1和曲线2的会交点）重合；单击“放样凸台/基体”，选择要连接的轮廓“草图1”和“草图2”，生成“放样1”；在“前视基准面”绘制“草图3”，如图3所示，然后单击“拉伸切除”，复选“反侧切除”，生成图1所示金属支架外形；作出转顶和基座的接口。

图3 草图3

3 模型分析与优化

3.1 边界条件

为便于计算分析，对金属支架模型的边界条件进行如下简化：模型的底面为刚性固定；模型的顶面承载500N；模型的重力方向垂直于底面。

3.2 实心模型

为分析自重和载荷对金属支架刚性的影响，在不考虑金属支架重量要求和内部结构的条件下，对其实心模型进行仅受自重、仅受载荷，以及受自重和载荷三种情况的有限元分析，结果如表1所示。

表1 实心模型的位移

由表1可知，变形主要发生在水平方向和重力方向，垂直纸面位移可以忽略，并且模型自重对刚性的影响较大，约占综合作用的70%。

3.3 空心模型

通过以上分析可知，减小模型重量可增加刚性，并且实心模型重约1179kg，而金属支架设计要求自重不大于400kg，约为实心模型的33.9%。因模型外表面影响电磁波的散射，外表面不允许改变，因此只能将模型做成空心结构，同时也便于导线从内部通过。

在SolidWorks中，“设计洞察”图解会显示模型中能够有效承担载荷的区域，可用于分析最大的实用模型并移除材料以优化载荷量，如图4所示。在编辑几何体特征时，可将设计洞察图解叠加到模型上进行优化设计，具体实现过程如下。

右键单击静态算例的“结果”文件夹，然后选择“定义设计洞察图解”；在“最大载”和“所有”两个设定之间调整“载荷级别”滑杆，经动态分析模型主要受力的区域可知，应力分布主要在模型两侧，心部不受力体积最大，顶部和底部次之；右键点击“结果”文件夹下的“设计洞察1（-设计洞察-）”，在“设定”中复选“将模型叠加于设计洞察图解上”；图4所示为“载荷级别”滑杆至28.99%时的设计洞察图解，在保证转顶和基座安装强度，并符合制造工艺的条件下，应尽可能去除材料；在模型顶部和底部分别绘制两个椭圆，“放样切割”去除内部材料，如图4中虚线所示。

图4 设计洞察图解

3.4 结构优化

通过对设计洞察图解的初步分析，模型顶部尺寸受安装转顶、模型壁厚等结构条件的限制，变化较小，并且对刚性和自重影响不大，而模型底部尺寸影响较大，如图1所示尺寸a、b和s，具体优化过程如下：右键单击左下角的标签“算例1”，选择“生成新设计算例”；选择“变量视图”标签，在“变量”中添加尺寸a，设置“范围”为850～950mm，再分别设置“约束”和“目标”，如图5所示，设置完成后点击“运行”优化，“结果视图”如图6所示。图中数据仅是一小部分，如要获得更多的数据，可设置范围的“步长”。

图5 尺寸a设计算例

图6 尺寸a结果视图

在“变量”中分别添加b和s，范围分别为245～260mm和500～600mm，其余设置同尺寸a，“结果视图”分别如图7、图8所示。

图7 尺寸b结果视图

图8 尺寸s结果视图

分析图6、图7、图8所示的结果可知，模型尺寸变化对重量和刚度的影响如表2所示。

表2 模型尺寸变化对重量和刚性的影响

3.5 结果分析

根据优化结果设计的模型质量约为397kg，对其进行仅受自重、仅受载荷，以及受自重和载荷三种情况的有限元分析，结果如表3所示。

表3 优化后模型的位移

由表3可知，优化后模型自重对刚性的影响仅占43%，虽然在仅受载荷作用时优化后模型比实心模型的合位移增加72.9%，而在仅受自重作用时合位移只减少40%，但在优化后重量减少66.3%的情况下，综合作用时优化后的模型合位移比原模型减少4.4%，达到了优化的目的。

4 结论

本文介绍了一种典型的结构优化设计方法，通过相关介绍，除可以了解到如何在SolidWorks中利用参数方程建模外，人们还可以对结构设计优化的全过程有进一步的认识，为更好地完成产品设计提供新的解决思路。

[1]胡仁喜.SolidWorks2007中文版标准教程[M].北京：北京科技出版社，2007.

[2]唐海正，徐长龙，徐得名.一种新型目标支架的设计和理论分析[J].上海大学学报，2000，6（1）：13-16.