耐深水压雷达天线罩的结构强度分析与校核
摘 要：本文耐深水压雷达天线罩采用玻璃钢为原材料，单板式实体铺层结构。采用ANSYS有限元软件对该雷达罩在承受4.5MPa水压等载荷作用下的应力、应变进行数值计算，并通过实验对计算结果进行校核和分析，为同类产品的结构分析提供借鉴。
关键词：耐深水压；雷达天线罩；约束；校核；应力；应变
1 引 言
耐深水压雷达天线罩的作用是在雷达天线的周围形成一个封闭的空间，将转动工作的雷达天线罩包在其内部，以保护雷达天线系统在深水压强下能正常工作。但是加设天线罩会使天线的电性能有所降低，例如影响雷达的瞄准精度并降低了雷达的有效作用距离。
雷达天线罩由于工作环境的情况，要求在4.5MPa的外部水压作用下确保雷达能正常工作。我们在结构设计上选用了单板式玻璃钢铺层，抽真空、一体化成型的生产工艺，使产品密实、无拼接缝隙，达到预期的密封、不渗水效果。
结合雷达天线罩结构安全性、电性透波要求，为有效解决产品结构与电性的矛盾，根据天线罩使用环境确定合理的厚度和加强方式，设计出性能优越的产品。
2 结构计算分析
2.1 基本结构
该雷达天线罩采用无碱斜纹布单板式铺层结构，外表面采用机械加工，保证了产品尺寸的一致性。
2.2 材料性能参数
无碱斜纹布是正交各向异性材料，具有9个独立的材料参数，根据实验测试结果，其材料参数如表1所示。
拉伸强度：σ+=220MPa
压缩强度：σ-=170MPa
弯曲强度：σ=290MPa
剪切强度：τ=45MPa
2.3 载荷工况
承受4.5MPa的外部水压。
2.4 载荷与约束分析
a)载荷分析
雷达天线罩要求能够在450米海水压力下不破坏。水压大小跟天线罩距离海平面的深度成正比，即
其中
P―水压
ρ―海水密度，近似取1.0×103Kg／m3
g―重力加速度，近似取10m／s2
h―物体距海平面的深度
雷达天线罩在水压作用下，其效果示意图如下：
b)约束分析
雷达天线罩底部法兰通过螺栓固定，法兰螺栓孔均匀分布，所以边界约束条件为底部法兰固支，固定方式见图2。
2.5 基本力学模型
a)有限元单元采用壳单元
b)边界条件为底部法兰固支
c)对底部法兰螺栓孔简化处理
3 计算结果分析
a)雷达天线罩在水压、水流压、惯性力作用下应力结果如图4～图5所示。
b)雷达天线罩在水压、水流压、惯性力作用下位移结果如图6～图7所示。
应力结果详细见表2。
结论：根据技术要求的指标及从上述的有限元计算结果可以得知，雷达天线罩在正常工作情况下，其设计的安全系数为1.6，容易造成产品破坏的应力为剪应力，对应的应力位置为罩壁侧面。
位移结果详细见表3。
结论：根据有限元计算结果可以得知，雷达天线罩在正常工作情况下，其大位移为0.78mm，发生在罩子顶部。
4 实验测试及分析
4.1 测试目的
为了验证雷达天线罩是否满足环境使用和安全性要求，采取了耐水压实验，检测雷达天线罩结构在4.5MP冰压下的P-ε曲线是否在弹性范围内。并通过实验的测试结果对Ansys有限元软件的数值计算结果进行校核。
4.2 测试方案
雷达天线罩应变值采用应变片进行测量，测点分布在试件相隔180度的两条母线上以及雷达罩中间的两个母圆处，在5个高度位置上。具体方案如图8所示。外贴片编号为3-28，内贴片编号31-56，1、2为外补偿，29、30为内补偿。
4.3 测试过程
试验分两阶段进行：
阶段，雷达天线罩加载至1MPa后先卸载至0.1MPa，然后缓慢加载至4.5MPa后保持120分钟，然后卸载至0。
第二阶段，由0再次加载至1MPa后卸载至0.1MPa，然后继续加载至5.0MPa，缓慢减压至2.0MPa。
雷达天线罩静水耐压试验常规试验的压力-时间曲线如图9所示。
4.4 试验结果
测试过程中通过应变片的数据采集，我们对产品的应变进行了分析，测得了不同应变片随水压变化的应变曲线。根据采取的数据，下图图10是48-53号应变片的水压-应变曲线，也是产品发生大应变的一组数据。
对试验数据进行分析，应变片50#在4.5MPa水压下应变值为4078με。其对应的位置为B截面，即雷达罩侧壁。根据有限元的分析结果在罩壁侧面发生的大应变为4524με，Ansys有限元的应变结果如图11所示。即发生应力大的地方为侧面中间部位，罩子在这个部位容易发生破坏失效。
5 结 论
本文从耐深水压雷达天线罩的有限元分析和水压实验结果进行了分析和比对，从实验的结果上看，产品在4.5MPa：水压下静止120分钟卸载后无破坏，应变仪测得的水压．应变曲线线性变化，在材料的弹性变形范围内。并且50号应变仪的大变形为4078με，和有限元的计算结果大变形为4524με误差仅10％。这也从实验结果验证了有限元分析结果的可靠性，为同类产品的结构分析提供借鉴和实验验收方案。
