劉長順，王 兵，陳兆兵

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院 研究生院，北京100039)

1 引言

穩(wěn)定平臺在飛機、艦艇、車輛、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等許多領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用，它主要涉及目標的捕獲、跟蹤與瞄準等功能的實現(xiàn)。在慣性系統(tǒng)中，穩(wěn)定平臺為加速度計提供姿態(tài)基準，為外架設(shè)備提供穩(wěn)定的承載平臺。因此，如何通過合理的設(shè)計使平臺滿足系統(tǒng)的使用要求已成為當前工程應(yīng)用中最關(guān)心的問題之一［1-6］。

外架設(shè)備是平臺系統(tǒng)的服務(wù)對象，與外框架相連的2套軸系精度決定了整個系統(tǒng)的精度，因此外框架的結(jié)構(gòu)變形對平臺整體精度與穩(wěn)定性具有重要影響。在車載動態(tài)使用環(huán)境條件下，光電系統(tǒng)對穩(wěn)定平臺系統(tǒng)要求十分嚴格，穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)剛度須滿足承載要求高、設(shè)備尺寸大、有動載荷等要求。系統(tǒng)采用的是框架結(jié)構(gòu)形式，外框架通過縱搖軸系與兩個立柱連接，立柱固定在基座上;同時通過橫搖軸系與內(nèi)框架連接，內(nèi)框架為外架設(shè)備提供安裝位置。這種框架結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了外框架在系統(tǒng)中受到的力最為復(fù)雜，因此對外框架進行設(shè)計優(yōu)化十分必要。

針對當前穩(wěn)定平臺設(shè)計普遍存在結(jié)構(gòu)笨重、回轉(zhuǎn)慣量大，外框架在系統(tǒng)中受力復(fù)雜等問題，本文分析了外框架材料的選擇及結(jié)構(gòu)形式，通過軟件建模對外框架進行了優(yōu)化設(shè)計，最后通過仿真或試驗等手段驗證了優(yōu)化設(shè)計［7-11］的可行性。

2 外框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個平臺系統(tǒng)采用的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)形式簡單，易實現(xiàn)平臺臺面(即內(nèi)框架)穩(wěn)定，是較為常用的結(jié)構(gòu)。外框架結(jié)構(gòu)通過橫搖軸系和縱搖軸系實現(xiàn)運動。

圖1 穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic drawing of stable platform structure

圖2 外框架結(jié)構(gòu)圖(54 kg)Fig.2 Drawing of frame structure(54 kg)

圖3 外框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖(73.4 kg)Fig.3 Optimization drawing of framework structure(73.4 kg)

圖4 外框架輕量化結(jié)構(gòu)圖(48.1 kg)Fig.4 Drawing of lightweight framework structure(48.1 kg)

外框架上相互正交的2個軸系構(gòu)成了整個系統(tǒng)的縱搖和橫搖擺動。由于其在精度、剛度等方面對系統(tǒng)的貢獻和影響最大，因此需要對外框架的結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化設(shè)計。在設(shè)計中采用圖2～圖4所示的3種基本結(jié)構(gòu)形式。3種基本結(jié)構(gòu)的幾何特性與物理特性不同，考慮到結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量以及結(jié)構(gòu)的裝調(diào)方便，認為圖3所示的結(jié)構(gòu)較為合理，因此對圖3的外形結(jié)構(gòu)進行了輕量化處理。與原結(jié)構(gòu)相比，圖4所示結(jié)構(gòu)的輕量化率為52%，比圖2結(jié)構(gòu)的重量減少了12%。

3 有限元模型建立

為了對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強度與剛度進行校核，需要進行有限元分析。采用UG軟件建立外框架結(jié)構(gòu)的三維實體模型，然后利用PATRAN軟件對模型進行前處理，采用NASTRAN軟件計算分析結(jié)果。在模型建立過程中，為了減小模型的計算量，對不影響模型主體結(jié)構(gòu)性能的小結(jié)構(gòu)，入小孔、倒角等特征進行了簡化處理。

3.1 網(wǎng)格劃分

為了保證該外框架結(jié)構(gòu)的有限元模型網(wǎng)格具有良好的協(xié)調(diào)性，在網(wǎng)格劃分中需要保證各網(wǎng)格單元尺寸控制在一定精度內(nèi)。本結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分采用了10節(jié)點性質(zhì)的四面體實體單元模型。對大部分規(guī)則區(qū)域進行自動劃分，某些對模型構(gòu)成關(guān)鍵影響的小結(jié)構(gòu)體則采用手工劃分的方式，從而能夠在保證網(wǎng)格劃分工作量不大的情況下滿足局部的高精度要求。整個框架共劃分為3 659個單元，7 657個節(jié)點，有限元模型見圖5。

圖5 外框架的有限元模型Fig.5 Finite element model of framework

3.2 材料選擇與工況設(shè)置

在材料選擇方面，主要考慮以下兩方面：

(1)材料剛度與強度的選擇?？紤]到結(jié)構(gòu)的大承載能力及輕量化設(shè)計要求，對在車載動載荷條件下的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，要盡量選擇比剛度和比強度大的材料;

(2)系統(tǒng)材料匹配問題。外框架、內(nèi)框架、立柱與基座所構(gòu)成的兩套軸系決定了整個系統(tǒng)的精度。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外形尺寸大(1 300 mm ×1 100 mm×800 mm)，在環(huán)境溫度變化較大的情況下，不同材料因線膨脹系數(shù)的不同會產(chǎn)生不同的伸縮量，從而在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響精度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，設(shè)計時應(yīng)保證外框架的材料與基座、內(nèi)框架、基座在熱膨脹系數(shù)方面相近或一致。

依據(jù)以上要求并結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，對材料進行粗選，表1列出了ZL104、HT250、ZG310-570、新型鑄鋁材料AlSi20RE的主要性能。

表1 各材料性能表Tab．1 Performance list of each material

對比以往設(shè)計所采用的鑄鋁、鑄鐵等材料［12］，AlSi20RE具有明顯的性能優(yōu)點，如比剛度和比強度高、應(yīng)力低、表面光潔、消振性能好、加工性能好等;另外，該材料具有良好的流動性，可鑄成薄壁結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的零件。經(jīng)過綜合對比，選用AlSi20RE新型鑄造鋁合金作為外框架材料。

為了有效仿真該平臺外框架的實際工作環(huán)境，需要對該結(jié)構(gòu)進行工況設(shè)置，本結(jié)構(gòu)裝配后可以認為是單一的剛體結(jié)構(gòu)，工作時僅有兩個軸框與其他結(jié)構(gòu)接觸。為了簡化運算，設(shè)置軸框四周的接觸力為均布力，且假設(shè)兩個軸框的受力一致，均為該結(jié)構(gòu)重力的一半，設(shè)為53 N。將設(shè)置好的有限元模型提交至NASTRAN軟件，可以得到靜力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變量和模態(tài)狀態(tài)下的諧振頻率值。

4 模型分析與結(jié)果探討

圖6、圖7分別為該結(jié)構(gòu)經(jīng)過MSC軟件分析后的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖和模態(tài)結(jié)果圖。在分析過程中分別對結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)變形分析和動力學(xué)模態(tài)分析，分析的條件和工況相同。

圖6 靜力學(xué)變形分析圖Fig.6 Diagram of statical deformation analysis

圖7 動力學(xué)模態(tài)分析圖Fig.7 Diagram of dynamical modal analysis

由動力學(xué)模態(tài)分析結(jié)果可知，該結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)剛度可達到97.4 Hz，完全能夠避開車載時的共振頻率(該結(jié)構(gòu)為車載系統(tǒng)，正常工作時油機的振動頻率為-50 Hz，可以認為它是該結(jié)構(gòu)的固有共振頻率);由靜力學(xué)變形分析可知，該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變?yōu)?.6 μm，各項指標均滿足設(shè)計要求，驗證了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性和可行性。

5 結(jié)論

對車載穩(wěn)定平臺的外框架結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用UG軟件對該結(jié)構(gòu)進行了三維建模，采用MSC.PATRAN有限元前處理軟件對結(jié)構(gòu)模型進行了工況設(shè)置，采用MSC.NASTRAN有限元后處理軟件對模型進行了仿真分析。結(jié)果顯示：本文所選擇的外框架結(jié)構(gòu)能夠在滿足剛度、強度要求的前提下實現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計要求，靜力狀態(tài)下的最大變形量為2.6 μm，表明這種優(yōu)化設(shè)計是合理可行的。

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