耐深水壓雷達天線罩的結構強度分析與校核
摘 要：本文耐深水壓雷達天線罩采用玻璃鋼為原材料，單板式實體鋪層結構。采用ANSYS有限元軟件對該雷達罩在承受4.5MPa水壓等載荷作用下的應力、應變進行數值計算，并通過實驗對計算結果進行校核和分析，為同類產品的結構分析提供借鑒。
關鍵詞：耐深水壓；雷達天線罩；約束；校核；應力；應變
1 引 言
耐深水壓雷達天線罩的作用是在雷達天線的周圍形成一個封閉的空間，將轉動工作的雷達天線罩包在其內部，以保護雷達天線系統在深水壓強下能正常工作。但是加設天線罩會使天線的電性能有所降低，例如影響雷達的瞄準精度并降低了雷達的有效作用距離。
雷達天線罩由于工作環境的情況，要求在4.5MPa的外部水壓作用下確保雷達能正常工作。我們在結構設計上選用了單板式玻璃鋼鋪層，抽真空、一體化成型的生產工藝，使產品密實、無拼接縫隙，達到預期的密封、不滲水效果。
結合雷達天線罩結構安全性、電性透波要求，為有效解決產品結構與電性的矛盾，根據天線罩使用環境確定合理的厚度和加強方式，設計出性能優越的產品。
2 結構計算分析
2.1 基本結構
該雷達天線罩采用無堿斜紋布單板式鋪層結構，外表面采用機械加工，保證了產品尺寸的一致性。
2.2 材料性能參數
無堿斜紋布是正交各向異性材料，具有9個獨立的材料參數，根據實驗測試結果，其材料參數如表1所示。
拉伸強度：σ+=220MPa
壓縮強度：σ-=170MPa
彎曲強度：σ=290MPa
剪切強度：τ=45MPa
2.3 載荷工況
承受4.5MPa的外部水壓。
2.4 載荷與約束分析
a)載荷分析
雷達天線罩要求能夠在450米海水壓力下不破壞。水壓大小跟天線罩距離海平面的深度成正比，即
其中
P―水壓
ρ―海水密度，近似取1.0×103Kg／m3
g―重力加速度，近似取10m／s2
h―物體距海平面的深度
雷達天線罩在水壓作用下，其效果示意圖如下：
b)約束分析
雷達天線罩底部法蘭通過螺栓固定，法蘭螺栓孔均勻分布，所以邊界約束條件為底部法蘭固支，固定方式見圖2。
2.5 基本力學模型
a)有限元單元采用殼單元
b)邊界條件為底部法蘭固支
c)對底部法蘭螺栓孔簡化處理
3 計算結果分析
a)雷達天線罩在水壓、水流壓、慣性力作用下應力結果如圖4～圖5所示。
b)雷達天線罩在水壓、水流壓、慣性力作用下位移結果如圖6～圖7所示。
應力結果詳細見表2。
結論：根據技術要求的指標及從上述的有限元計算結果可以得知，雷達天線罩在正常工作情況下，其設計的安全系數為1.6，容易造成產品破壞的應力為剪應力，對應的應力位置為罩壁側面。
位移結果詳細見表3。
結論：根據有限元計算結果可以得知，雷達天線罩在正常工作情況下，其大位移為0.78mm，發生在罩子頂部。
4 實驗測試及分析
4.1 測試目的
為了驗證雷達天線罩是否滿足環境使用和安全性要求，采取了耐水壓實驗，檢測雷達天線罩結構在4.5MP冰壓下的P-ε曲線是否在彈性范圍內。并通過實驗的測試結果對Ansys有限元軟件的數值計算結果進行校核。
4.2 測試方案
雷達天線罩應變值采用應變片進行測量，測點分布在試件相隔180度的兩條母線上以及雷達罩中間的兩個母圓處，在5個高度位置上。具體方案如圖8所示。外貼片編號為3-28，內貼片編號31-56，1、2為外補償，29、30為內補償。
4.3 測試過程
試驗分兩階段進行：
階段，雷達天線罩加載至1MPa后先卸載至0.1MPa，然后緩慢加載至4.5MPa后保持120分鐘，然后卸載至0。
第二階段，由0再次加載至1MPa后卸載至0.1MPa，然后繼續加載至5.0MPa，緩慢減壓至2.0MPa。
雷達天線罩靜水耐壓試驗常規試驗的壓力-時間曲線如圖9所示。
4.4 試驗結果
測試過程中通過應變片的數據采集，我們對產品的應變進行了分析，測得了不同應變片隨水壓變化的應變曲線。根據采取的數據，下圖圖10是48-53號應變片的水壓-應變曲線，也是產品發生大應變的一組數據。
對試驗數據進行分析，應變片50#在4.5MPa水壓下應變值為4078με。其對應的位置為B截面，即雷達罩側壁。根據有限元的分析結果在罩壁側面發生的大應變為4524με，Ansys有限元的應變結果如圖11所示。即發生應力大的地方為側面中間部位，罩子在這個部位容易發生破壞失效。
5 結 論
本文從耐深水壓雷達天線罩的有限元分析和水壓實驗結果進行了分析和比對，從實驗的結果上看，產品在4.5MPa：水壓下靜止120分鐘卸載后無破壞，應變儀測得的水壓．應變曲線線性變化，在材料的彈性變形范圍內。并且50號應變儀的大變形為4078με，和有限元的計算結果大變形為4524με誤差僅10％。這也從實驗結果驗證了有限元分析結果的可靠性，為同類產品的結構分析提供借鑒和實驗驗收方案。
