張 雷，邱亞峰，曹 源

（南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京210094）

引言

船載光電轉(zhuǎn)臺主要應(yīng)用于國家邊海防建設(shè)，是典型的光機電一體化的實踐應(yīng)用。目前國外比較有名的船載光電轉(zhuǎn)臺有美國的FLIR System公司的Sea FLIR，法國的VIGY－10fi偵查監(jiān)測系統(tǒng)等；國內(nèi)船載光電轉(zhuǎn)臺的研究起步較晚，本文根據(jù)技術(shù)指標要求，設(shè)計出船載光電轉(zhuǎn)臺。由于海面風(fēng)力、海浪起伏、晝夜溫差對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有較大的影響，為保證設(shè)計的光電轉(zhuǎn)臺正常工作，必須對其機械結(jié)構(gòu)進行環(huán)境穩(wěn)定性分析。而在等價風(fēng)載、環(huán)境溫差、海浪起伏環(huán)境條件下，常規(guī)的結(jié)構(gòu)校核計算很難準確對轉(zhuǎn)臺的環(huán)境穩(wěn)定性進行評估，所以本文將采用ABAQUS（CAE）軟件對機械結(jié)構(gòu)進行有限元分析，將環(huán)境因素以外部激勵的參數(shù)形式輸入三維仿真模型求得相應(yīng)的響應(yīng)，結(jié)合理論精度對船載光電轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行仿真驗證，進而確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性。

1 船載光電轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計的船載光電轉(zhuǎn)臺技術(shù)要求如下：

1）監(jiān)測距離：在20km標準能見度、三級海浪下，可見光／紅外探測儀必須達到對500t以上的中型船只識別距離8km，海岸邊或者船只上的人識別距離2km；

2）監(jiān)控性能：圖像成像穩(wěn)定，可進行跟蹤和掃描可疑目標，具有夜間成像能力和便利的監(jiān)控控制界面；

3）海洋環(huán)境：我國近海東南沿海地區(qū)多臺風(fēng)暴雨，北部渤海黃海四季溫差比較大。另外需要保證在海浪等級三級下正常運轉(zhuǎn)；

4）轉(zhuǎn)臺工作范圍：俯仰角－60°～＋60°，方位角－180°～＋180°或360°；

5）轉(zhuǎn)臺精度：穩(wěn)定精度為0.03°，回歸與預(yù)置位精度優(yōu)于0.2°；

6）環(huán)境溫度：工作溫度－30℃～70℃；

7）工作濕度：90%±3%，非凝結(jié)；

8）質(zhì)量與負載：質(zhì)量≤75kg，負載≥30kg。

結(jié)合船載光電轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標，對船載光電轉(zhuǎn)臺的光電系統(tǒng)進行設(shè)計，主要包括：光學(xué)探測系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、穩(wěn)像控制系統(tǒng)、測量反饋系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。工作原理如圖1所示。

圖1 船載光電轉(zhuǎn)臺原理圖Fig.1 Principle diagram of ship photoelectric rotary table

光學(xué)探測系統(tǒng)需要實現(xiàn)全方位24h不間斷的環(huán)境監(jiān)測，由可見光攝像機和紅外攝像機組成［1］?？梢姽鈹z像機由CCD鏡頭和CCD探測器組成。其中CCD鏡頭參數(shù)：0.847cm（1／3in）CCD，光學(xué)變倍18，焦距8mm～144mm，光圈范圍F1.4～T360；CCD探測器參數(shù)：0.847cm（1／3in）CCD圖像傳感器，最小照度為0.02lx／F1.6（黑白）1／30s，分辨率為1 280＊720，信噪比S／N大于50dB。紅外攝像機由紅外鏡頭和非制冷紅外探測器組成。其中紅外鏡頭參數(shù)：0.847cm（1／3in）CCD，5倍連續(xù)變焦，焦距30mm～140mm；非制冷紅外探測器參數(shù)：分辨率324＊256，最小照度為0lx／F1.0（紅外開啟）。

穩(wěn)像控制系統(tǒng)是為了解決船載光電轉(zhuǎn)臺在海面進行偵查探測時，隨著海浪的起伏、船身的搖晃而振動，導(dǎo)致圖像的不穩(wěn)定、模糊問題［2］。根據(jù)使用的海洋環(huán)境選用 MIN－900－2型號的陀螺儀，主要參數(shù)為傳感器量程。陀螺：±300（°）／s；加速度：±1.7g／s2；磁場：±1.2A／m；加速度線性度：0.2%；加速度零偏穩(wěn)定性：0.010g／s2；陀螺線性度：0.2%；陀螺零偏穩(wěn)定性：0.7 （°）／s；磁強計線性度：0.4%；磁強計零偏穩(wěn)定性：0.010A／m；精度：±0.5°（靜態(tài)），±2°（動態(tài)）；方向分辨率＜0.1°。

隨動控制系統(tǒng)是銜接穩(wěn)像控制系統(tǒng)與光學(xué)探測系統(tǒng)［3］的紐帶，將穩(wěn)像系統(tǒng)傳出的信號轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)臺實際的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整光軸的位置，提供穩(wěn)定的圖像，來滿足轉(zhuǎn)臺跟蹤搜索功能。根據(jù)功能滿足性與成本因素，設(shè)計選用型號為6030的電機運動控制卡作為主要載體。其主要參數(shù)為主機界面，33MPCI總線；工作環(huán)境：0～70℃，20%～90%的相對濕度，無凝結(jié)；脈沖發(fā)生率：106脈沖／s；驅(qū)動條件：高電平4.5V～5V，最大驅(qū)動電流50mA；運動曲線：梯形包絡(luò)線和速度曲線；運動范圍：位置指令 ，速度指令106脈沖／s。

測量反饋系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動位置、轉(zhuǎn)動速率，并通過反饋對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動位置和速率進行調(diào)整，保證轉(zhuǎn)臺在規(guī)定的精度和軌跡范圍內(nèi)正常運行。具體構(gòu)件有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼盤、光電編碼器、光電開關(guān)［4］。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的作用是將各個子系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)信息進行重新收集、記錄、存儲，然后對數(shù)據(jù)加以處理［5］，傳遞到人機交互界面加以控制，進而可以使得整個系統(tǒng)的信息能夠相互交流，使整個系統(tǒng)成為一個有機的整體，共同完成系統(tǒng)的功能。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

選擇pro／E軟件進行轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以光電系統(tǒng)載體為基礎(chǔ)、具體運動要求為前提，設(shè)計出具體的光電轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中圖2（a）為用pro／E設(shè)計的三維光電轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)；圖2（b）為實際加工出的虛擬樣機；圖2（c）為光電轉(zhuǎn)臺的內(nèi)部分布與排線圖。

圖2 光電轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of ship photoelectric rotary table

2 船載光電轉(zhuǎn)臺在特殊環(huán)境下的可行性分析

2.1 材料選擇

要使光電轉(zhuǎn)臺能工作在所要求的海洋環(huán)境，必須選擇合適的材料。而要對其進行模擬環(huán)境下的仿真也須結(jié)合材料進行詳細計算，以確保所設(shè)計的光電轉(zhuǎn)臺符合工作要求。選擇的船載光電轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)材料參數(shù)明細表Table 1 Schedule of material parameters

2.2 特殊海洋環(huán)境下的可行性分析

為保證光電轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的可行性，需要分析等價靜力風(fēng)載、極端溫度場和海浪振動3種海洋環(huán)境。本文運用ABAQUS軟件作具體分析。

2.2.1 等價靜力風(fēng)載下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

等價靜力風(fēng)載下的靜力學(xué)分析［6］，主要是確定風(fēng)載荷的大小及作用位置。因為靜風(fēng)風(fēng)載可視為平均風(fēng)壓［7］，影響它的因素主要有船載光電轉(zhuǎn)臺的高度、風(fēng)的速度及風(fēng)向，其計算公式為

為了考慮極限情況下靜風(fēng)風(fēng)載對結(jié)構(gòu)表面的影響，將船載光電轉(zhuǎn)臺的風(fēng)載設(shè)為最大值。設(shè)定轉(zhuǎn)臺正面為逆風(fēng)面，逆風(fēng)面μs為1.5，轉(zhuǎn)臺工作高度為海平面0～10m，作用面無遮擋物，μz（z）查表為1.38［8］，球體的基本風(fēng)壓值根據(jù)我國風(fēng)壓設(shè)定為2.9MPa，安全系數(shù)設(shè)定為5，設(shè)定）為30MPa。將風(fēng)載荷以面力的形式施加在轉(zhuǎn)臺的正面（即逆風(fēng)面）進行計算求解。圖3為轉(zhuǎn)臺的等價靜力風(fēng)載分布圖。

圖3 等價靜力風(fēng)載示意圖Fig.3 Diagram of equivalent static wind load

在五倍的等價靜力風(fēng)載作用下，最大應(yīng)力點在俯仰左軸附近，大小從圖4（a）左側(cè)應(yīng)力分析值可得為255MPa，遠小于鋼的屈服強度355MPa，而外殼球體基本應(yīng)力小于149MPa，小于鋁合金的屈服強度274 MPa，所以結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求，轉(zhuǎn)臺在普通靜風(fēng)作用下可以可靠穩(wěn)定工作。

由仿真結(jié)果提示可知：當海面遭遇強風(fēng)或者臺風(fēng)后，風(fēng)壓會急劇上升，這時船載光電轉(zhuǎn)臺不能在海面作業(yè)，必須用船體外部防風(fēng)罩進行保護，防止轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸在強大的風(fēng)壓下結(jié)構(gòu)變形而使轉(zhuǎn)臺喪失原有精度。等價靜力風(fēng)載的應(yīng)力云圖根據(jù)計算經(jīng)驗取平均75%的S，Mises應(yīng)力值（即三向綜合應(yīng)力值）和應(yīng)變云圖U，Magnitude位移（即三向等效相對位移）分別見圖4（a）與圖4（b）。

圖4 等價靜力風(fēng)載荷的應(yīng)變云圖Fig.4 Contours of equivalent static wind load strain

2.2.2 極限溫度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

船載光電轉(zhuǎn)臺的工作環(huán)境覆蓋熱帶、亞熱帶、溫帶，四季溫差變化明顯，我國的渤海區(qū)域在冬季會降到10℃以下，而我國南海海域的某些區(qū)域夏季會達到45℃。而在太陽光輻射的情況下，外殼的溫度還會增高。技術(shù)指標規(guī)定船載光電轉(zhuǎn)臺必須在－30℃～70℃的溫度下正常工作，因此機械結(jié)構(gòu)需要保證在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定性要求。

船載光電轉(zhuǎn)臺的最低臨界溫度為－30℃，在低溫下結(jié)構(gòu)收縮而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。為了確保轉(zhuǎn)臺的精密性，本文對結(jié)構(gòu)進行熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的分析［9］，保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的穩(wěn)定范圍內(nèi)。溫度場的直接作用面為轉(zhuǎn)臺外表面，如圖5所示。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的材料熱參數(shù)如表2所示。將溫度場參數(shù)代入模型進行求解。

圖5 溫度作用面示意圖Fig.5 Diagram of temperature effect

表2 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)材料熱參數(shù)明細表Table 2 Schedule of material thermal parameters

在溫差作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了熱應(yīng)力，球殼的整體應(yīng)力在14.6MPa以下，柱體主體的應(yīng)力在72.9MPa以下，最大應(yīng)力點連接軸處為174.8MPa，均小于鋁合金的屈服強度274MPa，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可見圖6（a）與圖6（b）。

船載光電轉(zhuǎn)臺的最高臨界溫度為70℃，在高溫作用下，材料熱膨脹破壞原有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需要對其應(yīng)力場與應(yīng)變場重新驗證，其仿真結(jié)果如下：球殼與柱體整體應(yīng)力均在82.3MPa以下，最大應(yīng)力點在支撐架底部，數(shù)值為247.1MPa，小于鋁合金的屈服強度274MPa，滿足強度設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可見圖7（a）與圖7（b）。

圖6 －30℃應(yīng)變示意圖Fig.6 Strain diagram at－30℃

圖7 70℃應(yīng)變示意圖Fig.7 Strain diagram at 70 ℃

2.2.3 海浪振動下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

海浪振動的載荷性質(zhì)為動態(tài)隨機，要得到波浪載荷的頻譜應(yīng)先對波浪載荷性質(zhì)進行分析。根據(jù)概率論中平穩(wěn)隨機過程的求解理論可以得出，海浪的數(shù)學(xué)模型應(yīng)為一個波面位移，服從均值為零的正態(tài)過程，具有平穩(wěn)性和各態(tài)歷經(jīng)性。隨機平穩(wěn)性的定義是指隨機過程ξ（t）的任意有限維分布函數(shù)與時間起點無關(guān)，即對于任意正整數(shù)n和所有的實數(shù)Δ均可得到公式：

式中：fn（x，t）為隨機平穩(wěn)函數(shù)；x1，x2，…，xn為整數(shù)n的隨機取值；t1，t2，…，tn為取值的相應(yīng)時間；Δ為實數(shù)。

又因為海浪譜可分為單一方向傳播的長峰波譜與各個方向傳播的短峰波譜，本文采用短峰波譜，國際上通用的2種海浪單方向波譜分別是Pierson－Moskowitz單 參 數(shù) 譜 即 （P－M 譜 ）與Bretschneider雙參數(shù)譜［10］。

Pierson－Moskowitz單參數(shù)譜適用于單方向傳播的海浪：

式中：S（ω）為海浪譜密度；g為重力加速度；HS為有義波高m；普峰頻率ωP＝0.4（g／HS）1／2。

Bretschneider雙參數(shù)譜［11］適用于單方向傳播的海浪和正在成形的海浪：

式中：S（ω）為海浪譜密度；TZ為平均跨零周期；HS為有義波高m；普峰頻率ωP＝0.4（g／HS）1／2。平均跨零周期TZ＝2π（m0／m2）1／2，m0與 m2為頻率譜的零階與二次矩。

船載光電轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標規(guī)定要在海浪等級三級下正常運轉(zhuǎn)，海浪浪高0～1.25m，包含了正在形成的海浪，所以選擇Bretschneider雙參數(shù)譜［12］比較合理。

將波浪載荷的頻譜輸入到ABAQUS，而后選用非線性顯示Newmark時間積分方法進行計算，可以得到5階頻率相應(yīng)的振型。1～5階的振型對應(yīng)頻率是1.815Hz、3.155Hz、4Hz、4.655Hz、5.218Hz，其振型的應(yīng)變云圖如8所示。

圖8 隨機振動響應(yīng)5階振型應(yīng)變位移云圖Fig.8 5－order modal strain displacement with random vibration response

由圖可知，1階振型的轉(zhuǎn)臺整體向右傾斜，最大應(yīng)變點在支撐架的右上角，位移量為1mm；2階振型的支撐架向外側(cè)分離，底盤柱體呈波浪型形變，其總體應(yīng)變分布在0.5mm以下；3階振型的共振形變主要為底盤柱體，呈波浪型形變，其中應(yīng)變峰值為1.02mm；4階振型的共振形變主要為兩側(cè)側(cè)蓋板，支撐架整體向內(nèi)彎曲，最大應(yīng)變點在右側(cè)側(cè)蓋的底部，形變量為1.05mm；5階振型的共振主要發(fā)生在球殼的鏡頭孔處，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)向內(nèi)部彎曲的趨勢，最大形變?yōu)?mm。1～5階振型的最大形變位置均不在轉(zhuǎn)軸附近，其轉(zhuǎn)軸附近并沒有受到大的變形激勵，所以在隨機振動下轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合精度要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)技術(shù)指標設(shè)計出光電轉(zhuǎn)臺，由于海面風(fēng)力、海浪起伏、晝夜溫差對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有較大的影響，為保證光電轉(zhuǎn)臺正常工作，必須對其機械結(jié)構(gòu)進行環(huán)境穩(wěn)定性分析。在上述環(huán)境條件下，常規(guī)的結(jié)構(gòu)校核計算很難準確對轉(zhuǎn)臺的環(huán)境穩(wěn)定性進行評估，本文采用了ABAQUS（CAE）軟件對機械結(jié)構(gòu)進行有限元分析，可以計算出在海面風(fēng)力條件下光電轉(zhuǎn)臺應(yīng)力小于鋼的屈服強度355MPa；在溫差作用下最大應(yīng)力小于鋁合金的屈服強度274MPa；所以設(shè)計的光電轉(zhuǎn)臺可以在海洋條件下正常工作。

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