江良劍，熊善泉，焦海松

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

為進行某對抗裝備的地面試驗，需將炮彈安裝在掃描系統(tǒng)上，并置于高塔上，實現(xiàn)對地面一定區(qū)域方位的俯仰掃描。試驗時確保掃描角度和轉(zhuǎn)速具有較高的穩(wěn)定性，對抗系統(tǒng)在動態(tài)情況下掃描、目標識別和攻擊行為的前提條件。場區(qū)高塔外圍設(shè)有環(huán)形工作平臺，可滿足對地通視要求。但掃描系統(tǒng)直接放置到環(huán)形工作平臺上，單位面積的壓力大大超出了塔體的承重能力，需要設(shè)計一個帶升降機構(gòu)的安裝支座。為確保試驗的安全性和可靠性，在設(shè)計過程中采用ANSYS 軟件作為輔助工具，對支座和掃描系統(tǒng)進行強度分析計算，得出了極限位移值和應(yīng)力值，為試驗順利進行提供了可靠的依據(jù)。

1 安裝結(jié)構(gòu)的有限元分析

1.1 建立幾何模型

掃描系統(tǒng)選用材料為鋁合金，密度為2.77e－6kg/mm3，屈服力為280 MPa，楊氏模量為71 000 MPa，泊松比為0.33。幾何模型的建立通過Auto CAD 三維建模完成，然后實體模型通過ANSYS 的CAD 接口功能導(dǎo)入［1］。根據(jù)掃描系統(tǒng)的外形尺寸和技術(shù)指標，在建立CAD 模型的時候?qū)呙柘到y(tǒng)的一些內(nèi)部小結(jié)構(gòu)作為整個結(jié)構(gòu)的一部分，著重考慮內(nèi)環(huán)、外環(huán)以及支撐結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征。安裝支座采用強度比較高的型鋼制作，一端穿過窗戶緊固在塔墻上，另一端加持在護欄上，以避免安裝使用膨脹螺釘對塔體造成損壞。圖1 為掃描系統(tǒng)及升降機構(gòu)的計算模型。

圖1 掃描系統(tǒng)及升降機構(gòu)的計算模型

模型建好后，對其進行網(wǎng)格劃分，生成有限單元網(wǎng)格，為施加邊界條件、施加荷載和求解做好準備。

1.2 邊界條件及荷載施加

定義垂直于內(nèi)環(huán)軸的水平方向為x 方向，掃描系統(tǒng)的高度方向為y 方向，內(nèi)環(huán)的軸方向為z 方向。一般情況下，桿件端部約束情況比較復(fù)雜，在進行力學(xué)模型簡化時，一定要符合理論邏輯，列出符合實際約束情況的邊界條件［2］。考慮到實際的工程要求和節(jié)點受力狀態(tài)，本文采用簡化模型來模擬真實結(jié)構(gòu)，在人字柱和斜腿柱的底面，約束全部自由度，實現(xiàn)柱腳的剛接。

線性靜力結(jié)構(gòu)分析是分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)，可以得到結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。通用的運動方程如式(1)［3］:

式中:［M］是質(zhì)量矩陣，［C］是阻尼矩陣，［K］是剛度系數(shù)矩陣，{x}是位移矢量，{F}是力矢量。

分兩個荷載步施加荷載，第一個荷載步為炮彈的重力;第二荷載步為炮彈旋轉(zhuǎn)時候的離心力。炮彈的質(zhì)量一般是固定的，對整體是一個向下的力，不會引起掃描系統(tǒng)的偏移及振動。炮彈旋轉(zhuǎn)時候的離心力跟炮彈的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度和炮彈的位置有關(guān)。為簡化模型，假設(shè)炮彈的質(zhì)量是均勻分布、結(jié)構(gòu)對稱的圓柱。離心力的計算公式為:F=Mω2R，從公式當中可以看出當轉(zhuǎn)速越快，炮彈質(zhì)心離中心越遠，離心力就越大。為保證試驗的精度，選取炮彈質(zhì)量最大，轉(zhuǎn)速最快，炮彈質(zhì)心離中心最遠進行計算，掃描系統(tǒng)安裝的精度要求高于這種極端情況。

1.3 分析結(jié)果

圖2 為此安裝方案在掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時的掃描系統(tǒng)及升降機構(gòu)發(fā)生的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，從圖中可以看出來，掃描系統(tǒng)正常轉(zhuǎn)速情況下，升降結(jié)構(gòu)支架和掃描系統(tǒng)發(fā)生的應(yīng)力和應(yīng)變很小。掃描系統(tǒng)和升降機構(gòu)連接固定的地方，安裝支座會受到較大的應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力的最大值14.125 MPa，一般鋁合金和鋼材的屈服強度為280 MPa，所以符合材料安全性的要求。由于在掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的時候，掃描系統(tǒng)底盤部分會來回受力并發(fā)生應(yīng)變，故需要將掃描系統(tǒng)底盤連接處的鋁合金或者鋼板加厚。

圖2 應(yīng)力和應(yīng)變云圖

當模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的時候，會給安裝支座的固定部分施加一定的力。圖3、圖4 和圖5 為某時刻窗戶、護欄和地面對安裝支座施加力的情況。表1 是這三個部分所受力的最大的具體值。

圖3 窗戶支架所受到的力

圖4 護欄支架所受到的力

圖5 支座底部所受到的力

表1 安裝支座最大受力情況

窗戶、護欄支撐和基座支撐結(jié)構(gòu)所受到的力會反作用于窗戶、護欄和環(huán)形工作平臺地面。窗戶受到在x 方向的力比較大為520 N，所以窗戶支撐結(jié)構(gòu)還必須緊緊的固定在窗戶臺上面。窗戶支撐受到的力為693.95 N，護欄受到的力為3 136.7 N，環(huán)形工作平臺地面受到的力為6 624.5 N。這幾個力主要的受力方向為y 方向，在進行方案設(shè)計的時候需要考慮它們所受力的安全性。在不影響使用的情況之下，基座的面積盡量做得比較大一些。

2 形變對掃描范圍的影響分析

為保證試驗的精度，需要考慮在掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的時候，形變引起的掃描偏移必須滿足規(guī)定的要求，如圖6。當掃描系統(tǒng)內(nèi)環(huán)有一個在x 方向有一小的偏移的時候，模擬中心也會發(fā)生偏移，指標要求偏移量小于3 m，可以求出掃描系統(tǒng)內(nèi)環(huán)允許的最大偏移量L。根據(jù)幾何關(guān)系，由于偏移量L 很小，可以利用以式(2)求的L 的數(shù)值。

圖6 掃描系統(tǒng)掃描偏移計算圖

圖7 是由ANSYS 軟件建模計算得出的掃描系統(tǒng)在x方向的偏移量，最大的數(shù)值為0.321 2 mm，遠遠小于L 的值，所以掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的時候，能夠完全滿足掃描精度的要求。

圖7 掃描系統(tǒng)在x 方向的偏移

3 結(jié)語

本文針對高塔對設(shè)備安裝的特殊要求，充分利用塔體的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了掃描系統(tǒng)安裝支座。利用ANSYS 軟件對掃描系統(tǒng)和安裝支座進行了有限元分析，獲得了位移云圖和應(yīng)力云圖，分析結(jié)果表明所設(shè)計的安裝支座具有較強的穩(wěn)定性，掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)動過程中能夠滿足掃描精度和安全性的要求。

［1］張朝暉.ANSYS10.0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］張樂樂.ANSYS 輔助分析應(yīng)用基礎(chǔ)教程［M］.北京:北方交通大學(xué)出版社，2006.

［3］侯健.有限元建模技術(shù)研究及雷達車天線結(jié)構(gòu)有限元分析［D］.西安:西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.