（机械工程专业论文）地面雷达车载机柜设计研究.pdf

工程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 a b s t r a c t t om e e tt h eo p e r a t i o ne n v i r o nme n ta n dd e s i g nr e q u i r e m e n t sf o r g e n e r a l i z ati o n ， s e r i a t i o n andi n t e g r a t i o n o f v e h i e l e 珊 口 n t e d c a b i n e t ， an 洲 g e n e r a t i o n v e h i c l e 一 m o u n t e d c a b i n e t i s d e v e l o p e d ， ， h i c h c a n mov e t h e pro b l e m s 伪r s h api n g ，s t r u c t ure ，i n t e n s i t y ， v i b r a t i o ni s o l a t i o n a n de l e c t r o 贴g n e t i c s h i e l d i n go c c u r r e di ns 。 配 t r a d i t i o n a lv e h i c l e 珊 u n t e dc abi n e t s .t h e s u i t ab1 es t a n d ard sf o rt h ed e s i g ni sf i r s t l ys e 1 e c t e d a n d a n a l y z e d ， a n dt h e p r o c e s s 几r ana l y s i s ， 5 1 加l a t i o n and d e s i g n i s d e s c r i b e d fr俪 t h efol l 叩i n g a s p e c t s :s h a p 元 n g ，s t r u c t u r e ，i n t e n s i t y ，v i b r a t i o ni s o l a t i o na n d e l e c t r 伽昭n e t i cs h i e l d i n g ，e t c 二 rel a t e dt e s tandv e r i f i c a t i o nfort h e p r o t o t y p ec a b i n e ti sp e r f o r m e d ，andd e t a i 1 e dd e s i g np l a ni sg i v e na tl a s t ， ， h i c hc a nm e e tt h ee x p e c t e dgoa l s . k 叮w o rds :v e h i c l e 一 m o u n t e dc a b i n e t ，s h 即i n g ，s t r u c t u r e ，i n t e n s i t y ， e l e c t r o 日 g n e t i cs h i e l d i n g 工程硕士学位论文 地面 雷达车载机柜设计研究 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事 对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :矛 丫 ，麟 年 ， 月 哆 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网 公布本学位论文的全部或部分内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:枷 年 明t 多 日 工程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 1绪论 雷达作为现代战争的重要信息传输设备， 有着不可替代的作用。 随着我国国防现 代化建设的不断发展， 对于雷达的作战性能和雷达的需求量， 都提出了越来越高的要 求。就地面雷达本身的设备构成而言， 一般包括天线阵面、馈线、发射机、接收机、 信号处理、 显控台等， 其中 接收 机、 信号处理、 显控台 的设备量占 到总设备量的大约 一半以 上， 而其主要承载手段就是 机柜. 因 此， 研制地面雷达车载机柜， 对于地面机 动式雷达本身的研制、生产、使用和维护， 其重要性不言而喻。 1 . 1 地面雷达车载机柜设计的由 来 未来战争的模式是诸军兵种协同作战，要协同作战，就必须实现信息互通、网 络互连、 功能互操作， 那就要首先实现设备的 系列化、 通用化、 组合化 ( 模块化) 即 三化圈。同 时， 实施三化能够提高产品的可靠性、 维修性、降 低成本、 缩短研制周期 图。 基于如 此背景， 我所作为我国 主要的雷达研究 所， 首先在全所范围内 全面开展三 化工作。而作为电子设备载体的机柜，其三化设计直接影响到电子模块的三化设计， 于是我所在 机柜方面先后在地面雷达车载机柜、 地面雷达发 射机机柜、 舰载雷达铸铝 密闭机柜、 抗恶劣环境户外密闭 机柜等方面开展三化研制工作， 本课题则是其中的 研 究课题之一。 机柜作为电 子设备的载体， 一 直被广泛使用。 而目 前机柜的来源大致包括以 下三 个渠道; a )各使用厂所自 行研制; b) 直接从专业生产厂家购买; c )向专业生产厂家定制. 在我所研制的雷达中，采用的 机柜主要有两个来源:自 行研制机柜和向国外专 业生产厂家购买工业用机柜。 对于自 行研制的机柜， 由于方方面面的原因， 也存在外 形不够美观、 使用性较差等缺点， 对于向国外专业生产厂家购买工业用机柜， 存在机 柜刚强度考虑不足， 价格昂贵、 供货周期无法保证等问题。当然，向专业生产厂家定 制， 也同样存在价格昂贵、 供货周期无法保证等问题。 若基于上述有关需求， 我们结 合我所三化课题 “ 地面雷达车载机柜三化设计” ， 着手进行地面雷达车载机柜的研制 和开发。 1 . 2地面雷达车载机柜设计的现状和存在的问 题 如同所有工业产品一样，电 工、电 子设备机柜的结构形式也在不断地变化更新。 按照机柜框架最终成型的 方式， 通常可以 将机柜分成焊接( 也有很少采用胶接) 式机 柜和组装式机柜两大类。 就全国范围各机柜使用厂所自 行研制的机柜而言， 由 于使用环境、 承载能力、 使 工程硕士学位论文 地面雷达车载 机柜设计研究 用维修方 法等不同 要求， 以 及各单 位不同的 工艺条件和设计习 惯， 机柜的具体结构形 式是 又各 种各 样的 悯 。 主 要 有 铝型 材 机柜、 钢 型 材 机柜、 钢板折弯 机 柜、 铸铝 机柜等。 按照骨架联结方式有螺接、 胶接、 焊接等结 构。 各雷达厂所常用的机柜结构形式有铝 型 材螺装 机柜、 铝型 材胶 接 机柜、 钢板折弯 焊接 机柜、 铝合金 铸造机柜五 类国侧。 各种机柜的特点如下: a )铝型材螺装机柜 采用铝型材作为立柱并 用螺栓与型材横梁联接而成。 其特点是组装方便，不需 要特殊的生产设备， 对工人的技术水平要求也不高， 便于大量生产， 生产效率高。 缺 点 是 刚 度 和 耐 受 振 动 、 冲 击 的 能 力 较 差 。 这 种 机 柜 适 合 于 地 面 固 定 式 雷 达 使 用 t26 1 . b )铝型材胶接机柜 采用铝型材作为 立柱并用环氧树脂胶与型 材横梁联接而成。 其特点胶接采用非 热加工， 不会产生焊接造成的 二次变形，易于 保证尺寸精度: 采用改性环氧树脂胶 接形式， 胶膜厚度严格控制在01 恤 以下，其胶接强度可达到或超过部分铝基材强 度，连接可靠，因而耐受振动、冲击的能力相对较强。缺点是刚度相对较差， 对工 装 及 操 作 要 求 较 高 国 。 c )钢型材焊接机柜 采用无缝钢管拉制的 封闭截面钢型材与顶、 底框或横梁等焊接而成。 其特点是 结构简单， 刚度和耐受振动、 冲击的能力相对较强。 缺点是对工装及操作要求较高， 焊 接 易 造 成 的 二 次 变 形 ， 钢 型 材 精 度 较 差， 校 直 较困 难 仁 洲 。 d )钢板折弯机柜 采用钢板折弯成所需截面经焊接而成的 机柜。 特点是结构简单， 成本低，立柱 截面可根据需要而灵活改变，生产周期和计划不受型材供货等外界因素的影响，如 采用数控冲床和数控折弯机等设备进行加工， 则立柱精度、生产效率都很高，零件 的一致性也很好，适用于大批量生产。缺点是重量较重，焊接易造成的二次变形， 对 工 装 及 操 作 要 求 较 高 国 。 e )铝铸造机柜 机柜的侧壁与顶框、 底框或机柜骨架整体是由 铝合金z l101铸造后经联接而成， 这种机柜的特点是结构极为简单， 组成零件少， 尺寸精度易保证。 最大的 优点是刚 性 好、固有频率高、安装方便。缺点是机械加工工作量大，生产周期长，生产成本高， 不适合批量生产。这种机柜在舰载雷达中多有 应用刘 。 我所于19 %年结合国 拨课题 军用雷达机柜模块化典型结构 对上述各种机柜 进行了 系统的研制，最终将部分当时认为成熟的 机柜结构形式提升为 我所的通用件， 而一直在全所很多产品中 使用. 由 于当时的设计、 工艺及有关需求等方方面面的局限 性， 这些机柜在使用过程中 暴露了一些由 于设 计刚度不足造成立柱弯曲变形的问 题， 工程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 或者由 于加工原因， 在焊接过程中 产生的 焊接应力没有充分释放， 在使用过程中由 于 振动等原因 应力释放， 造成骨架变形， 影响了 设备的 美观、 使用和维修。 同时 机柜存 在外形不够美观的问 题， 如果要改变外观， 骨架立 柱必须重新设计， 因 此加工模具必 须重新设计，工作量、成本都十分可观。 对于外购机柜特别是进口 机柜， 通常也分成焊接式机柜和组装式机柜两大类。 从 近年来电工、 电子行业的发展趋势看， 组装式机柜得到了越来越广泛的应用， 在电工、 电子设备中的比 例远高于焊接式样机柜， 特别是规模较大的专业化机柜结构生产厂 家，几乎无一例外地采用组装式框架结构网。 焊接式 机柜是一种老的结构形式，它的框架构 件之间的连接全都采用焊接工艺。 一般地可以 先形成左右两个侧框， 然后再用横梁连接成框架， 也可以先形成上下两个 底盘， 再用立柱连接成框架。 机柜可以 是先组成框架在装上门 和顶盖: 在侧门 和顶盖 不需要打开的场合也可以 直接由 两侧板和顶盖、 底盘等部件焊接成整个机柜。 焊接式 机柜优点是可以 获得较好的刚度。 缺点是焊接加工中构件的变形、 尺寸精度难以 保证、 装配中的 互 换性 差; 贮存 运输占 用空间 大、 生 产中 周 转不 便钊 。 组装式 机柜是随着近年来国 外先进设备的大量引 进而开始在国内电 工、 电子行业 中 推广流行的. 组装式机拒还可以 分为半组装式和全组装式两种。 半组装式机柜侧框 首先焊接成型， 最后装配时， 由 两片侧框与四 根横梁用螺栓固 定形成框架， 比如德国 51阴ens 公司的s m f 型机柜。 全组装式机柜框架所有三维的构件全都不用焊接， 而在 框架的每个角上采用三维的连接器将立柱、 横梁、 侧梁连接到一起， 然后再用其它方 式加固角上的连接，使之成为牢固的刚体。欧洲abb公司、德国aeg公司、 r i ttal 公司等机柜产品均采用了 这种结构形式. 网。 上述组装方式机柜的共同 特点是框架构件皆 用钢型材制作， 框架构件上都预先冲 制的规定尺寸模数 (2o nun 或25咖)间隔的系列孔，供框架及机柜组装以及电气设备 安装时使用。 由 此引伸到机柜的所有安装附件都采用同一尺寸模数的安装孔距， 使得 在设备的结构设计和组装时可以非常方便地利用这些系列孔。 采用三维连接器的框架 钢型材， 其截面都为封闭的正方形， 内腔与合金压铸的连接器方形截面的插入部分呈 过盈配合。 在连接器上有的 预制了螺孔， 与 钢型材的 孔相对应， 框架定 位后可以 在螺 孔中拧入螺钉，从而使连接具有更好的强度和刚度，如 r i t t a l 公司的产品。而有的 则是在框架每个角上再安装一个三维的角连接片来增强连接， 如a 阶公司的 产品切 。 如上所述， 对于半组装式机柜， 其刚 度相对较差。 而对于组装式机柜， 尽管 其强 度和刚度有了 较大的改进， 但对于 地面雷达车载机柜的 特殊要求， 虽然外形较为美观， 但不能满足车载环境要求， 不能很好满足产品需要， 往往要进行一定的改 造。 同 时由 于行业差异， 所采用的尺寸标准不尽相同， 造成使用安装困 难。 在钢型材的截面形式 和成型工艺、 三维连接器的设计、 尺寸系列要求等方面还有待于进一步的研究. 工程硕士学 位论文 地面 雷达车载机柜设计研究 1 . 3本课题的 研究意义 随着我国国防现代化建设的 不断发展， 军方对我所的地面雷达需求量不断 增大， 因而我 所机柜的使用量也越来越大， 我所一年机柜使用量达数百台 之多， 其主要来 源 为自 行研制和从国外进口。 本机柜研制成功后， 将部分或全部代替原有机柜。 一方面 由于充分考虑结构刚度需要， 将大大改善地面雷达的有关性能， 减少设备后期维修或 维护费 用; 另 一方面， 该机柜的 成功 研制， 将减少或杜 绝对于 进口 机柜的依赖， 从而 能大量节省费 用，同 时由 于充分考虑外观的多变， 减少了 翻身设计加工的费用。 从更高 层次来看， 该机柜由于充分考虑外观造型， 对于树立我所的产品形象将大 有大有裨益。 当 然， 该机柜充分考虑三化设计思想， 对于支撑电 子功能模块和雷达的 三化， 从而全面推进我所的三化工作， 将起到非常大的作用。 因而本项目 完成后， 其 经济效益 及社 会效益将十分显著。 1 . 4地面雷达车载机柜的设计思想 综合考虑以 往机柜设计的具体情况， 进行地面雷 达车载机柜的设计 研究， 应遵循 以下的设计指导思想: a) 积极采用 “ 三化” 设计思想， 采用成熟技术， 最大程度减少设计量。同时为 电子功能模块的三化起到良好的支撑作用; b ) 充分利用c a d手段。 随着计算机和软件技术的 发展与普及， 我们应充分利 用 c a d设计软件对预期设计目 标进行充分详细的论证与预设计，来优化设计 方案，缩短研制周期; c) 理论结合实际。在实际工程设计中，应该以理论计算做为设计依据，但更重 要的是用试验来检验理论，从而对设计结果进行进一步的检验和修正; d) 进行充分的调 研， 广泛听取用户的意见， 做到有的放矢。 1 . 5本文的 研究内容 本文第一章主要介绍地面雷达车载机柜的由 来和现状， 并给出了 地面雷达车载机 柜的设计思想; 第二章主要分析了 地面雷达车载机柜的使用需求， 并对有关设计输入 参数进行了 分析和优化: 第三章对地面雷达车载机柜的造型设计和结构设计进行了论 述， 分别给出了 造型设计和结构设计的具体方案。 第四 章详细阐 述了 地面雷达车 载机 柜刚强度设计的过程， 详细描述了仿真分析和实验的结果; 第五章对地面雷达车 载机 柜的电 磁屏蔽设计进行了 论述， 给出了 关于屏蔽设计的具体方案， 并 对试验样柜 进行 了 测试验证: 第六章根据以 上各章对地面雷达车载机柜的 论述， 给出了 两种机柜的 具 体结构实现， 并对有关附 件的 选用和安装进行了 阐述。 最后一章对全文进行总结， 并 对本次课题不足之处以及今后地面雷达车载机柜设计提出了展望。 各章节之间的 逻辑 关系见图卜 1 . 工程硕士学位论文地面雷达 车载机柜设 计研究 地面雷达车载机柜的设计由 来、 现状及研究意义等 设计参数分析 造型和结构设计 刚强度和隔振缓冲设计电磁屏蔽设计 地面雷达车载机柜的结构实现 图1 一 1 论文章节逻辑关系图 1 . 6本章小结 本章首先阐 述了 地面雷达车载机柜设计研究的由来， 分析了目 前的 现状和存在的 主要问题以 及研究本课题的意义， 指出了开展地面雷达车载机柜设计研究的设计指导 思想，为该论文的编制指明的方向. 工程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 2地面雷达车载机柜的设计参数分析 经过仔细研究以 往车载机柜存在的问 题及其需求， 笔者认为 研制地面雷达车载机 柜应从以下几个方面的问题入手。 2 . 1尺寸系列要求 机柜设计是一项比 较成熟的 技术， 同时机拒结构设计又受到标准化以 及与以往传 统机柜、 插箱、 插件的兼容性要求的影响， 致使其基本结构形式、 设备组成己 基本固 定， 尺寸系列也必须在仔细研究相关标准的 基 础上按照有关标准要求进行选取。 机柜、机箱的尺寸系列可按多种标准选择。其中国家标准和国家军用标准如 g b /t3 0 4 7 2 一 92、 gjb 1 0 0 一 8 6 、 份b / z 2 8 a 一 99、 c b 2 8 2 5 一 9 7 等;国际标准有i ec6 0 2 9 7 等。以上标准按尺寸系列 ( 高 度) 共分为两 类: 一类是高度进制为科4 5 m m( i u ) : 一类是高 度进制为25m m 。 由 于历史原因， 国内 大部分军工产品 研究院 所、 生产企业 采用444 5 mm( i u ) 进制的标准， 而且在已 有的产品中被广泛使用。尽管25二 进 制标准可以 使插箱、 插件的尺寸计算变得简单， 但由 于该进制标准颁布较晚， 目 前真 正被使用的并不多。我所的雷达设备沿用44.4 5 朴 高度进制标准。 g b 3 047. 4 一 8 6 高度进制为44.4 s r n m的插箱、 插件的基本尺寸系列 和gjb 1 0 o 一 86 面板、 机架和机柜 基本尺寸系列中规定了 机箱、 机柜的尺寸系列， 面板宽度分 为三种:482 6 m m( 19英寸) 、 5 40nun 、609. 6 恤( 24 英寸) ，机柜高度、深度也有 相应的尺寸系列。 gjb 2 8 2 5 一 9 7 军用雷达机柜、 插箱、 插件的模块化要求 1是针对空军装备制定 的，综合了gjb 10 o 、 gjb / z 2 8 a 、 g b / t 3 047. 2 等标准。 我们认为我所车载机柜的 尺 寸系列应根据g jb2 8 25一 97，并结合我所机柜三化工作的具体尺寸要求来综合选取。 最后我们对车载机柜选取以下尺寸系列: 机柜高度 1 劝o m m( 安装减振器高 度) 深度冈o r n n l 关于机柜的宽度尺寸，只规定在机柜内开档尺寸应能满足安装1 9 英寸的插箱的 情况下，宽度尺寸尽可能小。 对于安 装插箱的 机柜， 其内 开档尺寸见图2 一 1 ， 具体尺寸为川 : b4 8 26 ” 扣 、 8 产 4 5 1 枷 氏4 6 5 丽 对于安装转门骨架的 机柜， 其内 开档尺寸 还应包括转门 骨架需要占 有的尺寸. 这样就保证机柜与插箱、 插件之间的兼容，从而保证我所三化工作的 顺利实 施。 工程硕上学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 图2 一 1 机柜内开 档尺寸 2 . 2刚强度和隔振缓冲设计要求 地面雷达车载机柜的工 作环境十分复杂， 振动、 冲击等机械环境对机柜内电子设 备可靠性有很大影响， 分析解决电子设备工作环境可能存在的问题， 有助大大提高设 备可靠性， 当然也是地面雷达车载机柜结构设计的重点。 考虑到其主要使用环境， 该 机柜主要环境要求如下: 2 . 21振动条件 1) 振动试验的分类及选择 振动试验是考核产品在工作和运输过程中， 振动对产品工作性能的影响及结构损 伤。地面雷达车载机柜主要是考察运输振动对产品的影响。 各种标准都推荐振动试验应尽可能模拟产品 真实使用的安装位置、 状态和振动激 励。在同样运输条件下，不同 车型、不同位置及安装方式，振动激励往往差异很大， 因 此， 美军 标准m 工 l 一 s t d 一 810e和s l 0f对安 装在车内的设备， 推荐采用实际状态进行 跑车。 地面雷达车载机柜也规定了 跑车试验， 但这只有在雷达装配完以 后进行， 一旦 发现缺陷已 嫌过晚。 为了 保证设备各部分能耐受预期的 振动环境， 除整 机跑车外， 需 事先对分系统及其组成部分进行必要的振动台试验。 振动试验根据激励的不同分为随机振动和正弦振动。 随机振动更能模拟公路、 铁 路和飞机运输的真实环境，能够检验同时发生的多模态响应所造成的振动破坏. 盯b150一 86 军用设备环境试验方法 ( 等效m i l810 d) 除舰船设备外， 推荐采用随机 振动。 在条件具备时，可采用正弦振动。美军 标准m 工 卜st卜8 1 0f 中， 舰船设备为随 机加正弦， 其他设备全部是随 机振动。因此地面雷达车 载机柜进行随机振动。 2) g j b 1 5 0 一6 中随机振动试验的局限 按照g j b 7 4 a 一 9 8 军用地面雷达通用规范 幻 的 要求， 地面雷达车载机柜的 振动 环境要求 应在g j b 1 50弓6 中选择“ 基本运输” 类， 并选择其中图7 图9 轮式战斗车 工程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 谱型 ( 野战运输状态) 。 运输振动与车辆的 类型、路况、 车 速、 载荷密切 相关.因 g j b 巧 。 一 86 等效于 m i l 一 s t 8 1 0 d ， 而8 1 0 d 于1 9 9 3 年修订为s l 0 e ， 之 后， 于2 0 0 0 年又 进一步修订为s l 0 f ， 旬b 1 5 于8 6 却至今未修订， 仍沿袭使用的81 加中美军 车辆及美军运输方式。 对野战 运输， 美军是用双轮拖车、 轮式战斗车 ( 相当于 我军的装甲 车) ， s t 卡车、1 2t半挂 车及履带车完成的。我军大多数都是用轮式载货汽车来完成全过程的。因此 6 jb1 50 16一 86中图7 一图9 的 野战车谱型及量 值与 我军现实野战车及存在较大差异。 949 5年原国防科工委、总 后勤部和交通部等六个部门， 对军用物资 运输环境 条件进行的实 测和研究， 制定了盯b3493 一 9 8 军 用物资运输环境条件 川 。 该标准公 路运输部分， 以 我军主力运输汽车在各种类型的路面上， 包括等级公路、 无路地区野 战运输的实测振动数据， 取极大值连线。 同时， 为了 解决工程实际问 题， 对数据归 纳 曲 线又进行了 更高量级的 数据标准化。比实测子样中最大值增加了 两倍，其结果与 g j b15 o 一 8 6 中 相应谱型及量值有以 下不同 之处: a) 频率不同。g j b 3 4 9 3 一 9 8 中，野战运输频率范围上限为5 0 0 h : ;而g jb1 5 o 一 8 6 中的 轮式战斗车为2 o o hz; b) c j b 3 4 9 3 一 9 8野战运输随机振动谱型与g j b 巧 0 一 86 中轮式战斗车随机振动谱 型图不同; c) 各方向 振动量值不同。 g j b 3 4 9 3 一 98中 运输车振动垂向最大， 横向居中， 纵向 最小; g j b 1 5 0-86中 轮式战斗车的振动垂向 最小， 横向 居中， 纵向 最大。 妞 1 卜s t o we 8 1 o e 、 8 1 o f ， 在振动频率、 振动谱型、 各振动方向的总均方根加速度等 条件， 都对8 1 0 d 做t 修订， 现将s l o d 即 ， ( g j b 1 5 0 一 8 6 ) 、 s l 0 e 。 ， ， 、 8 1 0 f 悔 ， 、 g j b 3 4 9 3 刃8 的上述数据列表2 一 1 进行比较。 表 2 一 1 标准名称m i l 一 s t d 弓1 0 d ( g j 日 生 5 0 一 朋) m i l 书珊一 s l 0 em i l 一 s tdes 8 1 q f 盯b 3 4 邪一 9 8 频率 ( 月 2 )5 2 0 05 5 0 05 5 0 02 5 0 0 总均方根 加速度 ( 9 ) 垂向1 . 9 82 . 2 12 1 82 . 4 9 横向21 . 6 1l 6 10 1 纵向2 。 5 41 . 9 61 . 9 6 0 . 6 3 从美军标准的修订情况、 我国实测数据和人们的 经验判断， m 工 卜s t o ee s l0 d纵向 激励最大，显然具有很大的局限 性，估计包括了 某种特殊车辆并综合取其极值包络。 采用g j b 1 5 0 一6( mil810 的 作为 地面雷 达车 载 机 柜 振动试 验的 依据是 不 妥当 的。 3 )振动条件的优化 通过进一步分析有关资料， 走访 军用物资 运输环境条件 项目 组中 公路运输测 试组负责人， 了 解到g j b 3 4 9 于 98给出的数据， 是符合我国国 情 ( 路况、 车型、 速度、 t程硕士学位论文 地面 雷达车载机柜设针研究 驾驶员素质等) 的实测数据， 并 采用现代科技手段对测试数 据进行了 分析处 理。 但由于电 磁振动台最低振动频率只能达到s hz， s hz 以下需液压振动台，但液压 台高频只能 达几十赫兹，因此振动试验的频率定为5 阮5 0 0 晚， 另一 方面， 观察g j b 3 4 9 3 一 9 8 图b s 一 1 ， g j b 3 4 9 3 一 9 8 为了 包络z h : 出的高峰， 将4 20h z 的激励水平提高了10db以 上。对比mil810 f 的曲 线， m 工 l81 叮 曲 线的拐点远比 q 邝 3 4 9 3 一 9 8的 拐点多，说明 美军在考虑野战运输条件时，尽可能 取与某一曲 线贴切 的折线， 而不是取最大包络根据上述两点考虑， 在g j b 3 4 9 3 一 98图b s 一 1 中降 低低频幅 值， 并比 对 m i l 一 s td书1 o f ， 尽可能 取极 值归纳量 值曲 线的峰值曲 线作为设计与试验 条 件。而水平方向振动谱型取c j b 3 4 9 3 一 9 8 图b 6 一 1 的曲 线， 频率改为s h z 500 hz。 具体地面雷达车载机柜的振动条件如下: 关于振动试验条件的类型:随机振动。 随机振动量值见表2 一 2 囚，垂直方向随机振动加速度频谱图 见图2 一 2 ， 水平方向 随机振动加速度频谱图见图2 一 3 。 表2 甩随机振动量值 振动方向频率 h z 加速度谱密度 耐 / 5 弓 月 几 总均方根加速度 . / 扩 垂直方向 5 68 7 2 0 。 2 5 1 2 68 7 2 6 l斜 5 0 0 . 4 0 1 0 00 . 4 0 1 5 01 . 0 0 3 3 51 . 0 0 5 0 00 。 1 0 水平方向 ( 横向和纵向) 50 ， 6 0 1 0 ， 0 3 1 00 ， 6 0 5 0 0 . 0 6 6 1 00 1 1 2 000 1 3 0 0 0 . 4 0 41 5q4 0 5 0 00 ， 1 0 工程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 .即. 勺日 . 。 _ 交 二 讼 卜卜 未卜 li卜 书一 一 各 十 一 十一卡一 书丰 瑞 月 一 勺 一 一- 扁一 一 一 自 口 . 日 .曰 日 图2 一 2 垂直方向随机振动加速度频谱图 几 2 / ， 4 / n 二 1习，;1 .1 刀 。， 。门0习 日 ”脚娜h 忿 图2 一 3 水平方向随机振动加速 度频谱图 22 . 2冲击条件 冲击环境条件应符合g jb7 4 a 一 98的要求，具体如下: a )波形:半正弦波; b ) 峰值加速度:3 0 0耐。 2 ; c ) 试验持续时间:l l ms; d 试验方向:沿x 、 y 、 2 轴，每轴2 个方向， 共6 个方向: e )试验次数:每个方向3 次，共18次。 半正弦波冲击脉冲波形及容差见图2-4 . 1 0 工程硕士学位论文地面雷达车载机柜设计研究 容赞凭触 ! 1 5a 上移勺 . 巧a 零点叁准经 j ， 2人 图2 一 4 半正弦 冲击脉冲波形及容差 2 . 2 . 3跑车试验条件 跑车试验条件要求应符合应盯b74a一 蛇规定的 道路试验场试验要求进行， 具体如 下: 试验条件:在专用实验道路上，一次通过以下路面，总跑车里程90k m 。 a) 粗糙波 纹路面 ( 波 距招 o c n l ， 波高巧 cm) ， 车 速8 肋 1 币 ; b) 石 块 路 面( 比 利 时 石 块 路 面) ， 车 速32 k m 月 1 ; c) 辐 射 状 波 纹 路 面( 波 高5 一 1 仅 m ) ， 车 速2 4 k m 爪 ; d) 波纹路面 ( 波高s c m ) ， 车 速1 6 ki n 月 1 ; e) 簸箕路面 ( 波高sc m ) ， 车 速犯 k n 讥 1 。 根据以上对于机柜环境要求的分析，机柜应从以下两方面考虑问题: a) 机柜的刚强度设计。 以 往机柜存在的刚度不足问题对加工、 使用都产生了 较 大影响。要在不增加现有机柜重量的前提下， 提高机柜的刚强度; b) 机柜的缓冲隔振设计。 一个机柜光有好的刚强 度是不够的。 内 部设备尤其是 敏感元器件必须能 承受使用环境下的冲击振动， 因此必须采取合 理有效的 缓 冲隔振措施， 确保电子设备 在恶 劣环境下的正 常工作。 这个任务包括减振器 的选取、减振方式的选取等。 2 . 3电磁屏蔽设计要求 地面雷达车载机柜的电磁屏蔽设计是地面雷达电磁兼容性设计的一个重要方面， 应对机柜的 屏蔽效能 进行理论分析， 并在设计中 采取各种屏蔽措施， 努力提高 机柜的 抗电磁干扰能力。 在3 0 0 k hz1 翎2 的 平面波场内， 使机柜的屏蔽效能大于3 5 d8， 并 对机柜屏蔽测试效能测试结果进行分析， 对各种屏蔽材料的性能进行测试。 2 . 4美观性要求 机柜美观性设计要求是人机工程设计要求之一。 应进 行机柜的造型设 计， 在外形 上应改变以 往机柜不够美观， 影响 产品形象的问 题. 另一方面， 雷达对机柜的数量需求较大， 每台雷达机柜使用量从几台到几十台不 t程硕士学位论文地面雷达 车载机柜设计研究 等，同时由于各军 兵种对雷 达外观的要求也不同， 因 而存在外观多 样性的要求。 在进行机柜美观性设计时， 还应考虑机柜的 表面处理问 题。 2 . 5工艺性设计要求 结构设计最终体现在工艺 性上， 不能光有好的结构而加工不出来。 机柜骨架型材 的加工、骨架的焊接成形等问 题， 在结构设计时就应充分考虑。 机柜设计还应包含很多 方面， 如热设计 等， 由于方方面面的原因， 本课题将不 进 行其他专门 的研究， 待日 后再 作详述。 2 . 6本章小结 本章对地面雷达车载机柜的设计参 数进行了 分析， 首先根据对有关 上级标准的要 求以及我所科研生产的具体情况进行分析，指出了 机柜设计应遵循的尺寸系列要求: 接着对机柜刚强度和隔振缓冲设计要求进行了 阐 述， 分析了 其中有关振动环境要求上 级标准存在的问 题， 给出了 进行 机柜刚强度和隔 振缓冲设计的设计要求: 随后分别对 机柜的电 磁兼容性、 美观性、 工艺性等设计要 求进行的论证， 最终明确了地面雷达车 载机柜设计输入的具体参数和条件。 工 程硕士学位论 文地面雷达车载机拒设计研究 3地面雷达车载机柜的造型和结构设计 3 . 1地面雷达车载机柜的 造型设计 造型设计涉及的是运用不同于传统手工业品 制作方法的现代生产方式的三维产 品， 它的任务是 通过增加产品的宜 人性和更好的 形式 对功能的 适应; 通过消费 者心理 研究的 敏锐知识; 通过产品外形、 色彩和结构、 包装的 美学感染力来增强 产品对买 主 的吸引力，使产品成为买主极力想得到的东西。 在地面雷达系统中， 机柜的 造型设计占 有比 较重要的 地位， 它首先给人以 直接的 视觉体验， 是产品增值的重要手段。 它涉及到材料学、 成形工艺、 涂饰工艺、 心理学、 美学等多个方面的学科， 如何把握造型设计中的诸多要素， 给出 地面雷达车载机柜的 合理的造型设计方案， 就显得尤为重要。 3 . 1 . 1造型设计原则 依据造型设计的有关理论， 结合地面雷达车载机柜的特殊要求， 地面雷达车载机 柜造型设计应遵循以 下原则圆: a ) 功能性原则 地面雷达车载机柜作为一种工业产品，它的造型设计应该是技术和艺术的结合， 不能为了片面追求艺术美而失去 实用性。 它首先应该满足使用功能， 在此基础上才能 考虑艺术美。 地面雷达车载机柜首先要满足其作为电 子设备载体的功能， 其次还要满 足雷达维修的方便与快捷， 以 及其它方面如通风散热、 屏蔽、 冲击振动、 三防等要求， 这些均应在造型设计时进行综合考虑。 b )美学原则 不同的 结构、 材料、 工艺 和不同的设计给人的 视觉形象是不同的。 采用何种形体 布局， 何种色彩， 何种装饰对于地面雷达车载机柜都有比 较大的影响。 在进行地面雷 达车载机柜造型设计时，必须遵循有关的美学原则。 曰 工艺性原则 地面雷达车载机柜造型设计必须考虑结构工艺性要求， 即设计的造型必须在结构 上能够实现，而且工艺上能够加工出 来。 d) 经济性原则 地面雷达车载机柜造型设计必须考虑生产加工的经济性， 如果加工成本过高， 就 失去了实用价值。 3 . 1 . 2地面雷达车载机柜造型设 计的特殊性 在进行造型设计时， 地面雷达车载机柜具有一些自 身的特殊性， 而这些特殊性是 需要事先予以 考虑的。 a )要考虑作为军品的特殊性 工程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设廿研究 4地面雷达车载机柜的刚强度和隔振缓冲设计 进行 地面 雷达车载 机柜刚强 度设 计， 一 般应通过 采 用计 算机仿真 手 段建 立机柜有 限 元模型， 进行模态分析， 求出 机柜的固有频率及各处的 载荷， 分析机柜受力; 然后 对机柜的隔振缓冲系统进行了 设计，为机柜的优化设计提供理论依据。 4 . 1 地面雷达车载机柜有限 元建模的理论及软件基础 结构分析方法可分为两大类:经典分析方法和数值分析方法。 经典分析方法有精确解法和近似解法。 通过给定边界条件下直接采用控制微分 方程来求解工程问题， 其方程是基于物理原理而建立的。 近似解法是对控制微分方 程求得近似解， 采用适当截断 误差的级数展开式表达。 经典分析方法虽然可以解决 某些问题， 但在求解工程技术领域的实际问题时，由于其几何形状， 材料特性和外 部载荷域的不规则性，求得解析 解却是很困难的。 数值分析方法有能量法、 边界元法、 有限元 法。目 前 在工程实际应用中， 有限 元法 ( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种非常重要的数值计算方法，是解决工 程实际问题的一种有力的数值计算工具。 本章介绍了 有限元法的分析过程。 同时介绍了数值方法实际应用所需要的建模 和分析软件。 4 . 1 . 1有限元法分析过程 自 本世纪50 年代以 来，由 于电 子计算机技术的迅猛发展， 有限 元法在航空、 水利、 船舶、 土木建筑、 机械及车辆工程等领域的工程计算过程中得到广泛的应用。 它是将弹性理论， 计算数学和计算机软件有机地结合 在一起的一种数值分析技术。 由于这一方法的灵活，快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的 一种通用的近似计算方法。 有限元法运用离散的的概念， 把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的 子域 ( 单元) 所构成，其模型给出基本方程的分片 ( 子域) 近似解。由于单元 ( 子 域) 可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸， 所以 它能很好地适应复杂的几何形 状， 复杂的材料特性和复杂的边界条件。 随着计算机的不断发展， 有限元法成为工 程上应用最有效、最成功的一种数值计算方法。它的具体分析过程如下。 1 )结构的离散化 结构的离散化是有限 单元法分析的 第一步， 它是有限 单元法的基础。 所谓离散 化的过程， 就是将分析的结构物 划分成有限 个单元体， 并在单元体的指定点设置结 点，把相邻的单元体在结点处连接 起来组成单元的 集合体，以 代替原来的结构。 2) 选择位移模式 丁 程硕士学位论文 地面雷达车载机柜设计研究 在结构的离散化完成之后， 就可以对典型单元进行特性分析。 为了能用结点位 移表示单元体的位移、应变和应力， 在分析边连续体问题时， 必须对单元中位移分 布作出 一定的 假定， 也就是假定 位移是坐标的 某种简单的函 数， 这种函 数 称为位移 模式或位移函数。 位移函数的适当 选择是有限单元分析的关键。 在有限单元法应用中， 普遍地选 择多项式作为位移模式。 其原因是因为多项式的 数学运算( 微分或积分) 比较方便， 并且由 所有光滑函数的局部看来都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。 至于多项式项数和阶次的选择则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性要求。 一 般说来，多项式的项数应等于单元的自由 度数，它的阶次应包含常数项和线性项。 根据所选定的位移模式， 就可以导出用结点位移表示单元内 任一点位移的关系 式，其矩阵形式是 仃 卜n 扭 ( 4 一 ) 式 中 仃 为 单 元 内 任 一 点 的 位 移 列 阵 ; 伊 e 为 单 元 的 结 点 位 移 列 阵 ; 脚 称 为 形 函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 3 ) 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。包括下面三部分内容. 1) 利用几何方程式，由 应变的 表达式导出 用结点位移表示单元应变的关系式 仁 = b 1仿 ( 4 一 2 ， 式 中卜 是 单 元内 任 一 点 的 应 变 列 阵 . 2) 利用物理方程，由应变表达式导出用结点位移表示单元应力的关系式 a 卜协 p体 e 式 中行 是 单 元 内 任 一 点 的 应 力 列 阵 : d 1 是 单 元 材 料 有 关 的 弹 性 矩 阵 ( 4 一 3 ) 3 )利用虚功原理建立作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系式，即单 元的刚度方程 扭 = k 伍 ( 4 一 4 ) 式 中卜 1 称为 单 元 刚 度 矩阵 ， 上 式 的 积 分 应 遍 及 整 个 单 元 的 体 积。 lxl 一 伽了 d p 协 办 凌 ( 4 一 5 ) 4 ) 计算等效结点力 弹性体经过离散化后， 假定力是通过结点从一个单元传递到另一个单元， 但是 作为实际的 连续体， 力是从单元的公共边界传递到另 一个单元的.因 而， 这种作用 在单元边界上的表面边以 及作用在单元上的体积力、 集中力等都需要等效移置到 结 工程硕士学位论文地面雷达车载机柜设计研究 点上去， 也就是用等效的结点力来替 代所有作用在单 元上的力. 移置的 方 法是 按照 作用在单元上的力与等效结点力， 在任何虚位移上的 虚功都相等的原则 进行的。 5) 建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括两方面的内 容。 一是由 各个单元的刚度矩阵集合成整个物体 的整体刚度矩阵; 二是将作用于各单元的等效结点力列阵集合成总的载荷列阵。一 般来说， 集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共结点处的位移相等。 于是 得 到 以 整 体 刚 度 矩 阵 区 、 载 荷 列 阵 脉 1 以 及 整 个 物 体 的 结 点 位 移 列 阵 扭 表 示 的 整 个结构的平衡方程 k 16 卜r 4 一 6 ， 6) 求解未知结点 位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组，解出未知位移。 最后， 通过己 求出的结点位移可以计算任一单元及结点处应力及应变等， 并加 以 整理得出 所要求的结果。 4 . 1 . 2建模软件 随着计算机技术的不断发展，其软、硬件条件的不断改善，为有限元等数值计 算方法在计算机中的实现提供了条件.目 前， 能够实现大型结构三维实体精确建模 和有限 元建模的 软件己 经很多。本文中 采用的软件分别是pro/e 和a n s ys。 下面介 绍一下这两种建模软件的基本情况。 ( l) pro/e 的 基本特点 p r o / e 软件造型功能强，特别对板金件和曲面建模，其有两个基本特点， 第一， 参数化设计和特征功能，即采用参数化设计的、 基于特征的实体模型化系统， 工程 设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型， 如腔、 壳、 倒角及圆角， 可以随意勾画草图， 轻易改变模型. 这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从 未有过的简易和灵活。第二，单一数据库，即建立在统一基层上的数据库上， 不象 一些传统的c a d /cam系统建立在多 个数据库上。 所谓单一数据库， 就是工程中的资 料全部来自 一个库， 使得每一个独立用户在为一件产品 造型而工作， 不管他是哪一 个部门的。 换言之， 在整个设计过程的任何一处发生改动， 亦可以前后反应在整个 设计过程的相关环节上。 (2 )ana y s 软件概述 a n s y s软件是融结构、 流体、电 磁场、 声场和祸合场分析于一体的大型通用有 限 元分析软件。由 世界上最大的 有限元分析软件公司 之一的美国a n s ys开发， 它能 与 多 数c a d 软 件 接口 ， 实 现 数 据的 共 享 和 交 换， 如p r o / e n g l n e e r ， n a s t ran， a l o g o r ， 1 一 d eas ，a u t o c a d 等， 是现代产品设计中的高级c ad工具之一 a n s y s 的主要技术特点:能实现多场