雷达天线升降机构力学分析毕业论文 精品.docx
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雷达天线升降机构力学分析毕业论文精品
学号2010024212
密级
哈尔滨工程大学本科生毕业论文
雷达天线升降机构力学分析
院（系）名称
：
航天与建筑工程学院
专业名称
：
工程力学
学生姓名
：
王超凡
指导教师
：
张治勇副教授
哈尔滨工程大学
2014年6月
雷达天线升降机构力学分析王超凡哈尔滨工程大学
学号2010024212
密级
雷达天线升降机构力学分析
Mechanicalanalysisofradarantennaliftingmechanism
学生姓名
：
王超凡
所在学院
：
航天与建筑工程学院
所在专业
：
工程力学
指导教师
：
张治勇
职称
：
副教授
所在单位
：
哈尔滨工程大学
论文提交日期
：
2014年6月
论文答辩日期
：
2014年6月
学位授予单位
：
哈尔滨工程大学
摘要
本篇论文是以有限元分析方法和随机风载荷为理论基础，并应用ANSYS软件对雷达天线升降机构进行实体建模和力学分析。
根据分析结果，对结构的合理性进行判断和解释，然后结合结构优化设计的理论，对升降结构进行优化。
本文首先介绍了有限元法和ANSYS软件，然后简述了风的基本特性，特别是对平均风进行了重点的描述和讨论。
并根据建筑学概论把风转化为风载荷，给出了其一般求解公式。
在结构有限元建模方面，定义了不同杆件的截面，以及梁单元的选取、划分网格的技术，然后利用耦合解决了节点的铰接和自由度约束问题。
运用ANSYS软件，对雷达天线升降机构建模，并分析在静态风载荷作用下的水平方向位移、垂直方向的沉降量以及应力，对于出现应力集中的地方，加以强化。
最后通过运用结构设计变量的理论，改变撑杆的截面尺寸，探讨其优化设计。
分析结果表明,在风载荷作用下，此升降机构位移量满足设计要求，但是也会出现应力集中问题。
关键词：
有限元法；随机风载荷；升降机构；优化设计
ABSTRACT
Thispaperisbasedonthetheoryoffiniteelementanalysismethodandstochasticwindload,andusingANSYSsoftwareforsolidmodelingoftheradarantennaliftingmechanismandmechanicsanalysis.Accordingtotheanalysisresults,judgetherationalityofthestructureandexplain,andcombiningwiththetheoryofstructureoptimizationdesign,optimizetheliftingstructure.
Firstly,thispaperintroducesthefiniteelementmethodandANSYSsoftware,then,brieflydescribesthebasicfeaturesofthewind,especiallyfocusesontheaveragewindinthedescriptionanddiscussion.Andaccordingtothearchitectureofthewindintothewindload,itsgeneralsolutionformulaisgiven.Intermsofstructurefiniteelementmodel,thedifferentbarsectionisdefined,aswellastheselectionofbeamelement,thegridtechnology,andthenusingcouplingsolvestheproblemofpinandfreedomrestriction.UsingANSYSsoftwarebuildstheradarantennaliftingmechanismmodel,andanalysesthestaticwindloadundertheactionofhorizontaldisplacementandverticalsettlementandstress,forinplaceofstressconcentration,tostrengthenthem.Finally,onthebasisofthetheoryofstructuraldesignvariables,bychangingthesectionofbars,explorationofitsoptimizationdesigncouldbeachieved.Analysisresultsshowthat：
underwindload,displacementofthisliftingmechanismmeetsthedesignrequirement,butthestressconcentrationproblemalsooccurs.
Keywords:
Finiteelementmethod;stochasticwindload;liftingmechanism;optimizationdesign
目录
第1章绪论1
1.1课题的来源、背景和意义1
1.1.1课题来源1
1.1.2课题背景及意义1
1.2有限元法及ANSYS1
1.3升降机的发展2
1.3.1升降机在国内外发展现状2
1.3.2升降机构的分类3
1.4本篇论文的主要工作6
第2章随机风载荷8
2.1引言8
2.2风的基本特性8
2.2.1风的概述8
2.3风载荷的形成8
2.4风载荷的作用9
2.4.1风向9
2.4.2风速的测量9
2.4.3风的作用9
2.5风载荷的计算10
2.5.1风压10
2.5.2风载荷系数11
2.5.3受风面积11
2.6本章小结11
第3章结构有限元建模的基本操作12
3.1前言12
3.2几何实体建模的图元操作12
3.3有限元建模的原则13
3.3.1模型简化原则13
3.3.2对称性应用原则14
3.4有限元网格的划分14
3.4.1网格划分方式15
3.4.2网格划分控制15
3.4.3划分网格的准则16
3.5节点的约束处理—耦合17
3.6小结18
第4章雷达天线升降机构的力学分析19
4.1引言19
4.2雷达天线升降结构的有限元模型19
4.3静态分析26
4.3.18级风载荷作用下机构的静态分析26
4.3.210级风载荷作用下机构的静态分析28
4.3.312级风载荷作用下机构的静态分析31
4.3.4讨论50m/s的风速下机构的静态分析34
4.4升降机构的合理性分析37
4.5小结37
第5章雷达天线升降机构的优化38
5.1结构优化中的设计变量38
5.2结构优化设计的方法38
5.3优化升降机构的撑杆的截面尺寸39
5.4小结41
结论42
参考文献44
攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成就45
致谢46
第1章绪论
1.1课题的来源、背景和意义
1.1.1课题来源
本论文课题研究来源于国防某军事雷达项目，主要是研究“车载雷达天线升降机构力学分析”中的内容。
1.1.2课题背景及意义
在当今世界整体和平，局部摩擦冲突，甚至小规模战争的大环境下，国家间利益与主权的重叠和冲突，在未来势必会爆发小规模冲突或战争，然而电子信息战在现代战争中作为取得胜负的先决条件，发挥着举足轻重的作用。
车载雷达以其机动性能好，在复杂的环境和地域的条件下，基本不受到限制，快速的反应能力，在军事侦察以及情报收集被广泛应用，由于现代国家对于电子对抗战越来越重视并且大力发展其信息对抗能力，外来军事的电子干扰和监测正干扰着地面车载雷达的正常工作，隐身性能的提升，反雷达导弹，超低空突防的威胁。
车载雷达以其优良的机动性能，快速展开与撤收，并满足公路运输的条件，势必会大大提高其战争中的生存能力，是有效面对敌对威胁的技术手段，也是今后世界军事雷达发展的大势所趋。
天线升降机构是雷达系统的重要承重组件，要在不同环境下，天线车进入阵地之后，快速将天线组件举升到高处，进入工作状态，撤收后能将天线组件收回。
1.2有限元法及ANSYS
有限元是一种专门求解偏微分方程的数值计算方法，有一定的一般性和实用性[1]，并且很容易被推广和接受，所以，自从有限元方法诞生以来，关于有限元方面的研究理论和一些实践的应用上都取得了长足的发展[2]。
现在，有限元方法已经变成为了工程实践和科学研究等领域的一项必不可少的分析方法和手段[3]。
20世纪60年以后，计算机科学技术的快速发展和极其广泛的应用，有限元法得到突飞猛进的发展[4]。
现在所用的ANSYS带有了直接可以操作的GUI（可以显示图形）工作界面，整个命令菜单，工具栏和对话框等，这些功能与过去的版本相比已经有很大的进步了。
在航空航天领域、汽车制造领域、以及核工程领域等，你都能发现ANSYS已经被深入的应用于这些行业之中。
只有先透彻地理解有限元法的理论精髓和它的优缺点，工程技术人员才能更好地使用ANSYS等软件解决一些实际的工程问题。
在很多操作系统和计算机中都能运行ANSYS软件，包含个人电脑和大型计算机，ANSYS软件的兼容性极好，可以在同类产品和工作平台运行其文件。
多物理耦合的功能是ANSYS的一个十分重要的功能，这一特性能让它在相同的模型上进行不同种类的耦合计算，这大大方便了工程技术人员的实际使用和操作。
并且，ANSYS可以和大多数CAD软件相结合起来应用，做到图形及其他相关文件的共享，这是现代软件设计的一个重要要求。
当然ANSYS软件还提供一个可以改进的清单，可以帮助进行结构优化设计等[5]。
1.3升降机的发展
升降机是属于一个历史范畴的概念，在十九世纪九十年代前，那时人类还没有发明电梯，在那个时候载人或者载物的升降装置，就叫做升降机。
当然，在距离我们很远的时代，即原始的和简单的升降工具，应该叫做绞车。
自从电梯被发明以后，在这期间一百多年内，两大类升降设备：
电梯和起重机，一直处于不断地发展与改进之中。
升降机逐步发展为电梯，当然也逐渐发展成了起重机等。
现在的升降机都朝向起重机类方向发展，主要包括曲线施工升降机、钢索式液压提升装置、施工升降机、简易升降机、升降作业平台和高空作业车等[6]。
这些都属于升降机一般所包含的范畴。
第一部分：
升降机狭义所包含的范围，主要是施工升降机和简易升降机[6]。
第二部分：
大致是属于电梯范围内的，主要是杂物电梯、自动人行道和特殊类型的电梯，主要包括特殊类型电梯中的倾斜电梯和通用的楼梯电梯，当然也包括家庭电梯—准确地说它属于住宅电梯范畴，而且住宅电梯也是乘客电梯中的一种。
第三部分：
其他的升降设备，包括矿井电梯（也可以叫做矿井提升机）、短程穿梭系统和单轨交通[6]。
当今社会，升降机仍然是一种非常重要的升降设备，现在最大的问题就是升降机的安全问题，很多新闻报导过此类事故的发生，因此要对此类问题进行警惕和非常大地关注。
1.3.1升降机在国内外发展现状
据研究表明，中国已经成为了全球升降机最大的市场，具体来说就是中国已经成为世界上最大的升降机生产基地，并且拥有者最多的升降机[6]。
当今，随着我国科学技术的发展和生产工艺的突飞猛进，我国所年产升降机数量屡创新高，并且产品质量也获得了国际市场的认可。
巨大的生产力和良好的质量，不仅能够满足国内对各种升降机构的需求，同时可以外销到国际市场。
升降机所拥有的巨大潜力市场几乎引起了所有全世界升降机企业的空前关注。
近年来，中国出台了一系列的调控政策，就是为了使得升降机市场更加规范，更加具有竞争力。
升降机行业在中国的发展取得了前所未有的成就，产品数量也突飞猛进。
然而由于中国地区经济发展的不平衡性，升降机行业的发展就体现出了明显的不均匀性。
一些工业较为发达的地区例如华东和华南地区，已经成为了中国升降机行业的制造中心。
而在近20年，在世界范围类，升降机行业发生了巨大的变化。
机动升降机和全固定升降机产品的快速发展，原有的产品和市场的格局已经被打破，在经济快速的发展下和市场机制的作用下，造成了世界升降机构这一行业更加趋于一体化。
升降机的主要生产国是美国、日本、德国、法国、意大利等。
美国是工程升降机的主要生产国，又是世界上最大的市场之一，然而日本和德国在技术和实力上的崛起，使得美国在全球市场的整体占有率受到冲击[7]。
当今世界，由于各种工程的需要，升降机的需求量越来越大，因此其前景与市场是不可估量的，但是由于各国对其市场的愈加重视，未来在升降机行业必然会更加具有竞争力。
1.3.2升降机构的分类
目前升降机构通常所采用的结构设计方式主要有套缸式、剪叉式、桁架套叠式和导轨式三种方式[6]。
套缸式通常使用在载荷比较小和计算结果精度要求不是太高的情况下的场所。
如果作用载荷相对比较大或者举升的高度比较高时，这时套缸的直径太小的话，整个机构就会产生一个非常大的左右摆动，安全性达不到要求。
然而，要保证套缸式升降机构的刚性就必须增大套缸的直径，这时，液压油的用量和升降机构的本身的自重就会太大，这不利于公路机动运输。
套缸式升降机如图1.1所示：
图1.1套缸式升降机
桁架套叠式也是一种经常使用的升降机构，在机动的运输中也会经常的使用。
然而主要的缺点是升降机构举升到较大地高度时，如果想要保证摆动的结构复杂精度，特别是导向部分难度是非常大的，花费的成本也会很高。
而且，如果要达到举升25米的升降高度，所需要的升降机构的节数比较多，因此这些节该进行怎样的合理布局也会显得相当困难。
桁架式升降机构如图1.2所示：
图1.2桁架式升降机
剪叉式结构在升降机构中可以说是应用的最广泛的一种升降机构，在固定的和机动方面应用的都是非常普遍的。
其有很多的优点，主要是结构相对来说是比较简单的，而且升降速度是非常迅速的，一般就能达到5~10米/分钟。
而且，国内目前所采用的普遍是十六米以下的升降机构，如果超过了这个高度，那么在对升降机构进行加工的精度和工艺水平就有非常高的要求。
剪叉式升降机构如图1.3所示：
图1.3剪叉式升降机构
此外经常在楼层中和一些商场里面，其他升降机构也是很普遍的，例如：
导轨式升降机和倾斜电梯。
导轨式升降机构如图1.4所示：
图1.4导轨式升降机构
倾斜电梯如图1.5所示
图1.5倾斜电梯
1.4本篇论文的主要工作
本篇论文主要是对雷达天线升降机构进行有限元分析，这其中涉及平均风速的定义，风载荷的计算、加载的模拟和对几何实体结构——升降机构有限元建模，并应用ANSYS软件来对雷达天线升降机构进行静力学分析。
并讨论此升降机构的举升能力、水平方向的位移、垂直方向的沉降量和总体设计的合理性，并且根据结果开进行优化设计。
雷达天线升降机构有限元分析过程大致如下[8]：
1.实际问题
2.力学模型
3.有限元模型
4.数值计算
5.结果评估
概括本篇论文的主要工作可归纳如下：
第一步：
介绍一下风的基本特性，以及平均风的概念，不考虑脉动风，把风作为一种静载荷看待施加于结构之上。
了解相关的风载荷计算公式，以及风载荷系数的定义和取值，特别是风压计算公式。
通过公式对风载荷进行可操作性的实现。
为后面的风载荷加载做好充足的准备。
第二步：
在对机构进行建模之前，要深入学习ANSYS软件的操作，特别是对如何网格划分问题进行探讨，还有自定义截面梁单元的选取，以及结点的约束问题即是梁与梁之间的连接问题，都至关重要。
并以雷达天线升降机构建模为例，应用相关的技术，使整个建模的约束和网格问题都得到解决，为后面的分析打好坚实的基础。
第三步：
利用ANSYS软件，对雷达升降机构进行有限元分析。
主要是进行静态分析，然后对结果进行评估，做出相应的评价并给出实际建议。
第四步：
对优化的理论和方法进行适当的讨论，并以升降机构为对象，探讨其举升能力和刚度，判断所得结果的合理性。
第2章随机风载荷
2.1引言
自然风是一种随机载荷，无论是在露天条件下工作的任何机器设备，都会受到一定的风载荷的作用[9]。
由于经常工作在野外，雷达天线升降机构除了受到天线重力载荷和自重以外，风载荷也是一种不可忽视的外载荷。
特别是在计算强度，刚度，稳定性时，随机风载荷是必须作为一种外载荷来考虑的。
而且风载荷会引起整个雷达升降机构的结构变形和沉降，如果变形位移过大会直接影响整个雷达的正常工作，由风导致的事故是风载荷造成整体的翻转或者局部失稳变形，因此在整个计算模拟过程中，风载荷是必须考虑的载荷，其影响是不可避免的另一重要因素。
而在对雷达升降机构结构进行一定范围的定性分析时，就要找到一种风载荷模拟的方式来进行结构加载，而要使风载荷模拟的形式在实际真实的机构设计中计算使用，这就必须要求模拟的风载荷尽可能的满足和适合自然风的一些特性，并且在适用范围上要满足有效性和普适性。
2.2风的基本特性
2.2.1风的概述
风是由平均风和脉动风两部分组成，时间长周期部分，通常持续在十分钟以上，时间短周期部分，一般持续只有几秒左右，换种说法就是分为平均风和脉动风二个不同的部分分析[10]。
风是一种流体，但密度是比较小的，是一种动载荷。
平均风是一种相对稳定地风，可以看作是一种静态力作用，而脉动风是一种瞬时阵风，变化周期不规则，会对结构产生冲击力作用，强大地脉动风也会对整个结构产生较大地影响，有时计算除了考虑风的静力作用还要考虑冲击力的作用。
然而，对于刚度很大的雷达天线升降机构，脉动风的动力作用影响很小，因此只需考虑平均风静力加载作用，对于刚度较小的其他结构，例如：
天线等，风的动力作用是必须计算的。
2.3风载荷的形成
不考虑地球表面空气团自身的重力，也不考虑空气团与地面的摩擦力，大气层可以近似看作很多密度不同的层流层，由于这些分层的相对流动产生了风，物体表面所受到的风力是由压差阻力和摩擦阻力组成的[11]。
由于空气作为流体具有一定的粘性，在物体表面附近边界层各流层之间的粘滞力叫做摩擦力。
对于整体流线型的结构，压差阻力相对较小，主要考虑摩擦阻力，而对于非流线型结构，摩擦阻力比压差阻力相对小的多，所以主要考虑压差阻力。
因此，雷达天线升降机构主要受到压差阻力的作用。
2.4风载荷的作用
2.4.1风向
空气质量流速方向称为风。
如果空气由东面吹来那就称为东方风。
风向能由风向标（一种围绕立轴旋转的金属片）表示仪器指示，而且，从叶片和主轴承的固定棒位置之间可观察到的风。
事实上，在一些相对重要的场合和环境中，风向和风速可在精密仪器同时使用时，连续测量并记录。
2.4.2风速的测量
测量风速的仪表可以大致分为三类：
旋转式测量，压力式测量和其他方式[12]。
最常用的旋转式风速表是风怀式风速表。
这种风速表的内部组成是三个风杯与转子，转子是由短轴连接组成，风杯和转子绕着球轴承旋转，转轴下部驱动一个被包围在定子中的多极永磁体[12]。
指示器测出随风速变化的电压，显示出对应的风速值。
当风速达1~2m/s时，风怀式风速表就可以启动。
风速由10m/s突然变到20m/s时，风速计记录到的响应时间大约是1.3s,此外还有微型多叶片风力机的的压力风速表[12]。
压力式风速表中，在现代最常用是皮托管。
皮托管的发明者是法国工程师HcnriPitot。
皮托管是由两部分组成：
总压探头和静止探头，利用流动空气的总压（滞止压力）与静压之差，即动压来测量风速。
其他方式，例如有热线风速仪等。
2.4.3风的作用
雷达天线升降机构在承受到风的作用之后，不但在迎风方向产生风力的作用，而和其相互垂直的横向上，也产生风力的作用，还会产生风力矩，这是风作为一种载荷有区别于其他载荷的特征。
如图2.1所示：
迎风方向风速
——平均风速
图2.1
一般情况下，升降机构在受到风力的作用，横向风力的作用效果大概只有迎风所受力的作用的四分之一，因此，横向风力影响作用较小，可以不加考虑。
2.5风载荷的计算
因垂直剪叉构件长度方向的表面受风面积比平行剪叉构件的受风面积大，所以风载荷大，此方向为雷达天线升降机构抗翻转能力最薄弱的面。
作用在升降机构的风载荷与风载荷标准值，基本风压，受风面积（即升降机构的尺寸大小和形状有关）。
因此，升降机构所收到的风载荷可以由以下公式求得：
（2-1）
（2-2）
式中，F是风载荷；
是风载荷标准值；S是受风面积；
是瞬时风压的阵风系数；
是局部风压体型系数；
是风压高度变化系数。
2.5.1风压
由于升降机构的阻挡，使整个机构附近空气流通受阻，动压开始下降，静压开始升高，整个机构的侧面和背面产生局部涡流，静压下降和远处受阻碍的空气气流相比，这种静压的升高和降低统称为风压[13]。
该压力是垂直于由风压空气流动方向的平面。
根据伯努利方程得出的风－压关系，风的动压为：
（2-3）
其中
为风压[N/㎡]，ρ为空气密度[kg/m3]，v为风速[m/s]。
由于空气密度（ρ）重度（r）的关系为r=ρ·g,因此有ρ=r/g。
在
（1）中使用这一关系，得到
（2-4）
此式为标准风压公式。
在标准状态下（气压为1013MPa,温度为15℃）,空气重度r=0.01225[kN/m3]。
重力加速度一般取g=9.8[m/s2],我们得到基本风压公式：
（kN/m2）（2-5）
此公式为用风速计算基本风压的一般公式。
应该指出的是，空气的密度和重力加速度随海拔和纬度的变化而发生改变。
一般来说，空气的密度在较高的海拔上要比在海拔较低的地区小，即在一样的风速情况下，在相同的温度下，整个机构所产生的风压在海拔高的地区上比在海拔低的地区小。
2.5.2风载荷系数
风载荷系数有：
瞬时风压的阵风系数
；局部风压体型系数
；风压高度变化系数
。
在此升降机构计算中：
=1，
在迎风侧面取值为+0.8，在背风侧面取值-0.5，
=（0.8+0.5）,
=1.42。
2.5.3受风面积
受风面积一般取认为是垂直于风方向的投影面积，此升降结构可以取为投影面积最大的面积，即整个机构的平行面积作为受风面积S。
因此，在计算风载荷时，直接计算受风面尺寸的面积即可。
2.6本章小结
本章首先对风的基本特性进行描述，主要研究的是平均风，作为一种静力载荷计算[14]。
并介绍了风载荷形成的基本原理，以及风载荷的作用.其次是介绍各种风速的测量，和风载荷的计算，并给出了风载荷基本通用的计算公式，同时给出了风压的计算和三个风载荷系数的具体取值，为以后章节施加风载时做准备。
第3章结构有限元建模的基本操作
3.1前言
实现结构有限元建模是实现对所要分析实际结构的必要前提。
这种方式相对更加智能化，而且充满了使用者更加自我的判断。
对有限元
升级会员 