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基于ANSYS和ADAMS的雷达骨架协同仿真分析
Jian Hu, Linwei Li, Panpan Zhou, Gangyan Li and Qipeng Sun
摘 要：随着雷达技术的发展，对性能提出了更高的要求。良好的结构静动态特性不仅是确保雷达技术精度的重要依据，也是雷达正常工作的前提。本章研究了7.6times;4m抛物面雷达天线骨架，该结构具有自动展开和折叠功能，每个块之间采用由导螺杆螺母驱动的扁平四杆机构进行展开和退出。在本章中，ANSYS用于处理柔性螺丝刀，并将模态中性文件导入ADAMS以构建刚性柔性耦合模型。通过ADAMS动力学仿真比较了刚性和柔性螺杆的力学特性，得到了运动过程中的关键部件应力曲线。分析了螺杆在一定时刻的应力和应变，利用ADAMS参数化仿真模块优化了雷达骨架定位爪的位置。
关键词：ADAMS；ANSYS；刚柔耦合模型；协同仿真；结构优化
1 介绍
在工程实践中，完全基于理性力学和力学原理的分析不考虑柔性体的影响会使计算误差很大，甚至不能应用于实际工程中。在大型，轻量化，高速机械系统的研究中，该部件总是因力和大范围运动而产生变形。因此，这种组件应该被视为柔性体[1]。
为了研究刚性柔性耦合系统的动力学仿真，He[2]为关键部件构建灵活的机构，完成雷达天线部署模块的多体动力学模型。张和路[3]以飞机起落架为研究对象，永德和杨涛[4]以齿排机器人为研究对象，在有限元柔性后输入关键部件，建立刚性柔性耦合模型进行动态仿真分析。赵等人[5]介绍了基于压力系统的ADAMS参数化建模方法，并计算了一系列参数模型。
本文研究了7.6times;4m抛物面雷达天线骨架，其重量和结构都很大。根据雷达骨架的结构特点和展开机构的运动和受力特性，导螺杆作为细长杆，在驱动螺母移动直线位移的过程中部署天线类似于杠杆臂改变重量[6]作为驱动机构，导螺杆的传动特性对雷达骨架的整个部署过程具有决定性的影响。因此，应将导螺杆视为柔性部件，以便在多体动力学仿真中获得更准确的仿真结果。
2 雷达骨架展开机构的结构分析
雷达天线骨架是由钢板焊接矩形梁和支撑钢管组成的封闭箱梁后框架结构。雷达天线骨架由五个块组成：主块，两个中间块和两个侧块。整个天线骨架结构采用对称布置，全部采用单螺母螺母驱动装置，在四杆机构的作用下实现自动展开/折叠。雷达骨架在自动展开后由传感器定位，并受到两对定位爪和四对定位销/孔的限制[7]。同时，增加驱动装置的预紧力以保持天线结构锁定。如图1和2所示。
图1 雷达天线骨架结构图
图2 雷达骨架展开机制示意图1个主块2个导螺杆3个中间块4个侧块
通过对上述结构的分析，雷达骨架的定位和锁定是通过两个装置的相互作用实现的：驱动装置部署雷达骨架;在定位爪和销/孔的限制下，驱动装置产生预紧力以实现雷达骨架锁定。如果雷达骨架的布局不合理，则需要较大的驱动力才能达到相同的预变形，并且定位棘爪/销之间的接触力变大。将产生很大的应力和应变，甚至塑性变形和疲劳损坏。由于雷达骨架需要反复展开/折叠，重复定位精度和使用寿命将受到严重影响。定位爪布局的优化设计可以提高雷达骨架的性能。
图3 刚性柔性耦合仿真模型建立流程图
图4 雷达骨架折叠状态的三维模型
3 雷达天线框架的联合仿真
本文实现了雷达骨架刚柔耦合模型的联合仿真分析。基于ADAMS和ANSYS的联合仿真模型构建流程图如图3所示。
3.1 雷达骨架动力学仿真
雷达骨架的三维实体模型如图4所示。导螺杆的柔性体由有限元软件ANSYS创建。在ANSYS中单独模拟螺杆和材料特性是：45号钢，弹性模量E=2.06e11 Pa，泊松比l=0.3，密度q=7.9e3 Kg/m3。刚性域是在导螺杆上创建的。刚性域是接触区域由于在ADAMS中组装了柔性部件和刚体。最后，生成包含各种机械特征的模态中性文件并将其导出到ADAMS中。如图5所示。
加载导螺杆模式文件时，ADAMS中的柔性主体更换了刚性导螺杆。根据实际工作，增加了柔性导螺杆与其他刚体之间的运动对和约束，产生了雷达骨架的刚性柔性耦合模型。如图6所示。
由于雷达天线骨架是对称排列的，因此两侧的约束和运动对是相同的。左侧建立多刚体系统模型，右侧建立刚性柔性耦合模型。通过左右不同的多体动力学仿真结果分析了柔性丝杠对整个系统运动的影响。
在本文中，驱动负载被添加到移动的一对螺母上。使用STEP功能加载相同的移动速度和模拟时间。接触力设定在定位棘爪处。在模拟中，定位爪之间发生接触碰撞。为了更好地模拟实际工作条件，定位爪之间的穿透量值设定为0.1mm[4]。刚性和柔性丝杠的多体动力学仿真结果的局部放大如图7所示。包括柔性丝杠的应力和应变以及丝杠的弯曲变形。
图5 导螺杆的刚性区模型
图6 雷达骨架的刚性柔性耦合模型
图7 仿真结果柔性导螺杆的局部放大
在相同的约束条件和驱动参数下，导螺杆和柔性导螺杆如图8所示。刚性导螺杆在力的发展过程中的力增加，这总是大于柔性导螺杆。当柔性导螺杆的最大力为4720N时，刚性导螺杆的最大应力为5549N。在极短的起动时间内，柔性部件的应力突然从大值下降到0，然后缓慢上升。这更符合实际情况。
图8 刚体与柔性体之间的力的比较
STEP功能STEP（时间，0,0d，20,90d）和STEP（时间，67,0d，87，-90d）加载在雷达骨架右侧主块和中间块之间的驱动机构上，STEP（时间，22,0,42,396）和STEP（时间45,0,65，-396）装在中间块和侧块之间的驱动机构上。雷达骨架的部署动作在ADAMS中完成。雷达骨架中间块的展开和折叠过程中导螺杆的应力变化曲线如图9所示。侧滑块展开和折叠过程中导螺杆的应力变化曲线如图10所示。
导螺杆的应力在展开和折叠过程中是对称分布的。主块与中间块之间的导螺杆最大应力为6300N，中间块与侧块之间的导螺杆最大应力为5348 N。主块与中间块之间的预紧力最终保持在5348N部署，主块和中间块之间的预紧力保持在3652N。
雷达骨架展开过程中主块与中间块之间定位制动器的接触力变化曲线如图11所示。
当定位棘爪在10s处接触时，由于接触变形，接触力的值在达到峰值后下降到1580N。
图9 中间块展开和折叠过程中导螺杆的应力变化曲线
图10 侧滑块展开和折叠过程中导螺杆的应力变化曲线
3.2 导螺杆的有限元分析
在ADAMS动态仿真后，导出螺杆机械特性档。选择先前在导螺杆上定义的2个外部节点，在部署过程中生成导螺杆的加载文件，包括25个时间点的2个外部节点的加载条件。命令流由加载文件在特定时间形成粘贴到ANSYS中的命令框，然后相应的节点加载自动添加到导螺杆上形成边界。
图11 定位制动器的接触力变化曲线
分析了导螺杆相应力矩的应力和变形情况。第6个负载力矩的等效应力和应变如图12和图13所示。
图12 第6时刻的导螺杆应力图
图13 第6时刻的螺杆应变图
导螺杆的最大应力出现在与螺母接触的外缘，最大应力值为27.4Mpa。由于骨架重量和展开过程中的反应，导杆发生弯曲变形，其值为0.767mm。
4 雷达骨架定位棘爪位置优化设计
本章将定位棘爪的位置作为设计变量，定位棘爪的接触力作为优化设计结构的设计目标。定位棘爪的位置沿骨架的侧梁变化，每个位置的变化范围为520mm。通过参数分析模块在ADAMS中植入具有不同定位棘爪位置的雷达骨架结构的动力学仿真。获得在相关位置定位棘爪的接触力值，如表1所示。
当位置坐标为（-1303.816，-42.091，-2236.238）时，定位棘爪上的接触力最小为1569N，定位棘爪的位置是最佳的。
表1 定位制动器的位置和相应的接触力
|
位置坐标（mm） |
接触力（N） |
|
(minus;1303.816, minus;36.126, minus;1742.394) |
2140 |
|
(minus;1303.816, minus;20.483, minus;1841.163) |
2088 |
|
(minus;1303.816, minus;4.839, minus;1939.932) |
2018 |
|
(minus;1303.816, 10.804, minus;2038.70) |
1940 |
|
(minus;1303.816, 15.389, minus;2097.685) |
1835 |
|
(minus;1303.816, 26.448, minus;2137.473) |
1632 |
|
(minus;1303.816, minus;42.091, minus;2236.238) |
1569 |
5 结论
根据本文的研究结果，可以得出以下结论：
(1) 建立了雷达骨架的刚性柔性耦合模型，并进行了雷达骨架展开机构的动力学仿真，得到了驱动机构的应力变化曲线和柔性体的变形图。
(2) 根据雷达骨架展开过程中定位棘爪接触力的有限元，可以得到位置对其接触力的影响。
(3) 根据定位棘爪位置与接触力的关系，通过ADAMS中的参数化设计模块，可以研究定位棘爪布局的优化设计。
参考文献
[1] Ma X, Hu F, Liu J. Dynamic characteristic simulation of drum washing machine rigid-flexible coupling model. Int J Control Autom. 2015;8.
[2] He C. Dynamic simulation and structural optimization of transporting manipulator based on rigid-flex multibody dynamics. South Chin Univ Technol. 2011.
[3] Zhang G, Lu N. Dynamic analysis on rigid-flexible coupled multi-body system with a few flexible components. In: International Conference on Quality, Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering. IEEE; 2011. p. 1010–5.
[4] Yongde Zhang, Yangtao Wang. Co-simulation of flexible body based on ANSYS and ADAMS. Syst Simul. 2008;17:4501–4.
[5] Lijuan Z, Gang M. Study on key technologies in modeling an
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资料编号：[2439]
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