贺李平

                                                       ( 北京无线电测量研究所北京100854 )

摘 要：该文对雷达天线座结构优化设计技术进行了研究。文中提出了基于优化驱动的天线座结构创新设计流程，并以方位基座结构优化设计为例，基于结构优化软件Altair OptiStruct，介绍了如何利用拓扑优化技术实现天线座的概念设计，利用尺寸优化技术实现天线座的方案设计。结构优化技术将使得天线座在高刚度、高机动性、轻质量等要求中达到平衡，特别适合于大型精密雷达和机载雷达天线座结构优化设计。

关键词：雷达 天线座 结构优化 有限元方法 OptiStruct

Abstract: Structural optimization design technology of an antenna pedestal in radar is studied in this paper. An innovative, optimization driven design process of antenna pedestal is proposed. Taking the structural optimization design of an azimuth base for example, this paper illustrates how to carry out conceptual design of an antenna pedestal by topology optimization method, and how to carry out project design by size optimization method based on the structural optimization software Altair OptiStruct. Structural optimization technology can balance the requirements of higher stiffness, higher maneuverability, and lower mass. It is particularly suitable for structural optimization design of antenna pedestal in high precision radar and airborne radar.

Key words: radar, antenna pedestal, structural optimization, finite element method, OptiStruct

        天线座是支撑天线探测目标的装置。它通过天线控制系统，使天线能够按照预定的规律运动或者跟随目标运动，准确地指向目标，并且通过它精确地测出目标的方向[1]。无论是轻巧型的机载雷达，还是大型的精密探测雷达，天线座的结构设计必须满足刚度好、静态和动态变形小、结构固有频率高等目标，它们在很大程度上取决于设计和计算方法。

       纵观结构设计的历史，人们学会进行力学分析是结构设计的第一次飞跃。力学分析基于有限元方法，是一种虚拟实验的手段，以其独特的优势，已能取代部分物理实验，有效的减少实验费用、加速项目进度、改善产品性能[2,3]。结构设计的第二次飞跃则是结构优化理论的发展和实际应用。结构优化基于有限元方法和优化技术，能够自动设计出满足设计指标的最佳结构形状和尺寸，使得结构设计快速而准确，大大缩短了设计周期，提高了产品精度和性能[4,5]。

      结构优化方法大致可分为四种类型，即拓扑优化(Topology Optimization)、形貌优化(Topography Optimization)、尺寸优化(Size Optimization)和形状优化(Shape Optimization)。拓扑优化和形貌优化用于概念设计阶段，以得到结构的基本形状；尺寸优化和形状优化用于详细设计阶段，以改进结构的细节设计。表1列出了四种优化方法的特点和应用。

       结构优化的三要素为设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数；目标函数是要求的设计性能，是关于设计变量的函数；约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其它性能的要求。

        结构优化的数学模型可表达为：

http://s9/mw690/002m4bgBzy6XDbqONBKd8&690

http://s10/mw690/002m4bgBzy6XDbp7bEB39&690
http://s6/mw690/002m4bgBzy6XDdRsZwNf5&690

                       http://s13/bmiddle/002m4bgBzy6XDdX80UYdc&690
                                                            图1 传统的天线座设计流程

       随着计算机软硬件的发展，CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)技术日趋成熟，各种数值仿真方法在天线座结构设计中得到大量的应用。结构分析已能取代部分物理实验，可有效的缩短实验周期和降低费用。这种改进的设计流程如图2所示。

                       http://s13/bmiddle/002m4bgBzy6XDe0l0o4ac&690
                                                        图2 CAE技术改进了传统的天线座设计流程

       然而，当前CAE技术的局限性，通常表现为它仅被用作在产品设计后期对设计方案的校核。在设计的早期，即概念设计阶段，设计师只能凭借经验和想象力，难以对天线座的所有性能精确地予以考虑，并且往往由于经验所限，不能给出创新性的设计。随着结构优化理论和方法的成熟，它将以天生的优势改变当前的天线座结构设计流程。在概念设计阶段，拓扑优化技术可以对天线座所需性能全部予以考虑，在给定的设计空间中找到最佳的结构设计思路；在方案设计和技术设计阶段，结构分析发现问题后，优化技术可以直接给出产品改进的方案，而不仅是对产品进行校核，从而帮助设计师设计出创新且可靠的产品。这种优化驱动的天线座结构创新设计流程如图3所示。这种流程的核心是将结构优化、结构分析、结构设计融为一体，代表着天线座结构设计的发展方向。

                       http://s11/bmiddle/002m4bgBzy6XDeAN8y69a&690

                                                       图3 优化驱动的天线座结构创新设计流程