楊 斌，杭 燚，趙 靜

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

車載平臺(tái)是連接載車和上裝設(shè)備的橋梁和樞紐，直接影響設(shè)備系統(tǒng)的安全性、可靠性和精度指標(biāo)。隨著電子設(shè)備的集成度和性能要求越來越高，設(shè)計(jì)重量輕、結(jié)構(gòu)布局合理、承載能力強(qiáng)的平臺(tái)就顯得愈發(fā)重要。

作為主承力部件，某車載雷達(dá)平臺(tái)承載的電子裝備、升降塔等上裝設(shè)備重11 t，寬2 m，長9.5 m，抗傾覆腿前后跨距7 m，左右跨距8.4 m，系統(tǒng)工作時(shí)，升降塔處于舉升狀態(tài)，舉升高度達(dá)40 m，并要求在4級風(fēng)況下保精度工作。這樣的要求對平臺(tái)設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。對于該平臺(tái)，結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)非常重要，一方面，要滿足雷達(dá)在整個(gè)使用壽命內(nèi)的可靠性和精度指標(biāo)要求；另一方面，由于產(chǎn)品成本及減重的要求，又要使零部件的材料用量最省。剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要在這兩個(gè)相矛盾的要求間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，使得零部件達(dá)到輕量化的同時(shí)，滿足剛強(qiáng)度的要求。要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，同時(shí)確保整套系統(tǒng)萬無一失，在設(shè)計(jì)階段對平臺(tái)進(jìn)行有限元建模和仿真，并對實(shí)物進(jìn)行工程測試成為必不可少的步驟[1]。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件日新月異的發(fā)展，有限元仿真和工程測試已在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，大大縮減了產(chǎn)品的開發(fā)周期和費(fèi)用，釋放了風(fēng)險(xiǎn)，并在某種程度上改變了原有的設(shè)計(jì)理念。本文結(jié)合作者的工作實(shí)際，從理論計(jì)算到工程測試，對平臺(tái)的有限元快速高質(zhì)量建模、仿真和測試結(jié)果進(jìn)行闡述。

1 有限元快速建模

該平臺(tái)由HT70高強(qiáng)鋼焊接而成，主體是一個(gè)大型、復(fù)雜的薄壁組合結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖1所示。目前，平臺(tái)的有限元模型一般可分為3種：即梁單元主體模型、殼單元主體模型和實(shí)體單元模型[2]。梁單元主體模型劃分的單元數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少，計(jì)算速度快，但是無法給出結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的應(yīng)力；使用實(shí)體單元建模可以方便地將平臺(tái)的CAD模型轉(zhuǎn)換成有限元模型，但網(wǎng)格質(zhì)量往往較差，且模型的單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，影響仿真計(jì)算速度和精度；殼單元模型能夠獲得高質(zhì)量的面網(wǎng)格，并能很好地對平臺(tái)的連接支撐結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，對平臺(tái)的仿真計(jì)算更為精確，但模型的前處理工作量較大[3]。

圖1 系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖

ANSYS SCDM是ANSYS公司旗下的一款模型前處理軟件，該軟件具有強(qiáng)大的模型清理能力，可根據(jù)CAD模型高效抽取中面，并具有模型編輯、檢查和再設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，該軟件與ANSYS有限元分析軟件具有非常便捷的交互接口，模型的修改可實(shí)時(shí)更新到有限元分析軟件中，極大地提高了模型的前處理效率。本文使用ANSYS SCDM，根據(jù)平臺(tái)CAD模型，快速建立了以殼單元為主體，具有較高網(wǎng)格質(zhì)量的平臺(tái)有限元模型，如圖2所示。網(wǎng)格劃分參數(shù)和網(wǎng)格質(zhì)量如表1和圖3所示。

圖2 平臺(tái)有限元模型

表1 網(wǎng)格劃分參數(shù)

圖3 網(wǎng)格單元質(zhì)量

2 工況介紹與載荷計(jì)算

2.1 仿真工況介紹

該平臺(tái)所受的載荷主要包括上裝電子設(shè)備重量、載車重量、平臺(tái)自重和風(fēng)載荷，約束點(diǎn)為4個(gè)液壓調(diào)平腿和4個(gè)抗傾覆腿。由于整車沿車長方向基本左右對稱，且升降塔和重量集中在靠近車頭方向，為了驗(yàn)證不同風(fēng)向?qū)ζ脚_(tái)的影響，共計(jì)算以下4種工況：

1)升降塔升起，4級風(fēng)(7.9 m/s)載荷，風(fēng)向與車前進(jìn)方向夾角0°，4個(gè)調(diào)平腿與2個(gè)抗傾覆腿支撐；

2)升降塔升起，4級風(fēng)載荷，風(fēng)向與車前進(jìn)方向夾角45°，4個(gè)調(diào)平腿與2個(gè)抗傾覆腿支撐；

3)升降塔升起，4級風(fēng)載荷，風(fēng)向與車前進(jìn)方向夾角90°，4個(gè)調(diào)平腿與2個(gè)抗傾覆腿支撐；

4)升降塔升起，無風(fēng)載荷，4個(gè)調(diào)平腿與2個(gè)抗傾覆腿支撐，此為對比工況。

2.2 升降塔風(fēng)載荷計(jì)算

升降塔舉升高度為40 m，其所受風(fēng)載荷為平臺(tái)主要負(fù)載。由于高塔類結(jié)構(gòu)的自振周期較長，因此在計(jì)算此類塔式結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷時(shí)必須考慮由脈動(dòng)風(fēng)引起的風(fēng)振影響，準(zhǔn)確求解升降塔風(fēng)載荷成為平臺(tái)精確仿真計(jì)算的必要條件。

升降塔風(fēng)載荷：

WK=βZμSμZWO

(1)

式中：WK為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βZ為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；μS為風(fēng)載荷體型系數(shù)；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；WO為基本風(fēng)壓，kN/m2。

設(shè)風(fēng)速為V，則基本風(fēng)壓：

(2)

假定地面粗糙度屬于B類，則風(fēng)壓高度變化系數(shù)：

(3)

高度Z處的風(fēng)振系數(shù)：

(4)

式中：ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)；ν為脈動(dòng)影響系數(shù)；φZ為振型系數(shù)。

根據(jù)有限元分析，塔架1階基本自振周期T1=2.72 s，查表可得脈動(dòng)增大系數(shù)ξ=3.18。查得脈動(dòng)影響系數(shù)ν=0.87；通過Z/H值進(jìn)行插值得到振型系數(shù)值[4]，H為風(fēng)作用點(diǎn)高度。

當(dāng)雷達(dá)車側(cè)面迎風(fēng)，即工況3時(shí)，整車的傾覆力矩最大。根據(jù)以上公式計(jì)算得到升降塔各層風(fēng)振系數(shù)，并計(jì)算得到升降塔受到的4級風(fēng)載荷見表2。

表2 升降塔風(fēng)載荷計(jì)算

3 仿真分析

基于ANSYS進(jìn)行仿真計(jì)算，使用質(zhì)量點(diǎn)模擬上裝設(shè)備重量載荷，使用Remote Force模擬上裝設(shè)備受到的平行于地面、垂直于車身方向的風(fēng)載荷。由計(jì)算結(jié)果可知，各工況下平臺(tái)最大應(yīng)力均不超過350 MPa，應(yīng)力分布較均勻，最大變形不超過7 mm，均未超過材料的許用應(yīng)力，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 工況1應(yīng)力分布

圖5 工況2應(yīng)力分布

圖6 工況3應(yīng)力分布

為詳細(xì)評估4級風(fēng)載荷對系統(tǒng)精度的影響，在升降塔安裝面選取6個(gè)點(diǎn)，這6個(gè)點(diǎn)的分布位置如圖7所示。這6個(gè)點(diǎn)在工況3和工況4時(shí)的平臺(tái)升降塔安裝面法向變形值如表3所示。

圖7 6點(diǎn)位置圖

表36點(diǎn)的法向變形mm

位置點(diǎn)無風(fēng)載變形4級風(fēng)載變形變化量Δh1-4．2714-3．5036-0．76782-6．0348-4．8018-1．23303-6．3624-5．0284-1．33404-4．2708-4．52820．25745-6．0356-6．31980．28426-6．3620-6．69320．3312

由表3可見，在存在風(fēng)載時(shí)，1、2、3點(diǎn)處的變形減小，4、5、6點(diǎn)處的變形增大。其中點(diǎn)3的變形減小量最大，點(diǎn)6的變形增大量最大。

由于各點(diǎn)的變化并不相同，存在著傾角：

(5)

式中：Δh為兩點(diǎn)相對變形值；l為兩點(diǎn)之間的距離。

點(diǎn)3和點(diǎn)6的相對變形值為1.665 2 mm，兩點(diǎn)之間的距離為2 000 mm，傾角為2′51″，仿真結(jié)果滿足要求。

4 測試

4.1 測試方案

對平臺(tái)實(shí)物進(jìn)行現(xiàn)場測試，通過吊機(jī)起吊模擬載荷加載，應(yīng)力測試采用靈敏度高、測量范圍廣、適用于現(xiàn)場的電測應(yīng)力應(yīng)變法，即利用式(6)求岀單向應(yīng)力σ，再求解綜合應(yīng)力。

σ=Eε

(6)

式中：E為彈性模量；ε為應(yīng)變值。

根據(jù)仿真工況設(shè)計(jì)，工程測試時(shí)采用0°偏載、45°偏載、90°偏載3個(gè)加載工況，如圖8所示。

圖8 工程測試加載工況

4.2 測試儀器設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)

測試設(shè)備(電阻應(yīng)變儀)使用江蘇東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。

技術(shù)指標(biāo)：

1)測量點(diǎn)數(shù)：每臺(tái)采樣箱最多可測60點(diǎn)；

2)連續(xù)采樣速率：1 Hz；

3)測量應(yīng)變范圍：±1.999 9×10-2；

4)最高分辨率：1×10-6；

5)系統(tǒng)示值誤差：不大于0.5%，±3×10-6；

6)零漂：不大于3×10-6/4 h。

4.3 測點(diǎn)與測試結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置36個(gè)測點(diǎn)，布置在平臺(tái)、抗傾覆腿和升降塔安裝支架上，部分測點(diǎn)位置見圖9。

圖9 部分測點(diǎn)示意圖

測試工況1、工況2、工況3時(shí)平臺(tái)各測點(diǎn)應(yīng)力值，與有限元仿真值進(jìn)行對比，見表4。

表4部分測點(diǎn)應(yīng)力仿真值與測試值對比MPa

序號0°工況仿真測試45°工況仿真測試90°工況仿真測試17565．33627．83130．827584．87483．37178．636076．08891．98989．646078．47286．77583．556063．17575．87978．666067．67878．67578．777060．79587．012093．987082．77783．76081．798593．695102．6102106．5108587．697112．9100117．2118598．5100121．295126．5128588．190102．990106．7134043．65756．26558．3

通過對比可以看出，仿真計(jì)算和實(shí)際測試的總體受力趨勢一致，數(shù)值相近，且平臺(tái)所有測點(diǎn)的應(yīng)力均未超過許用應(yīng)力。

同時(shí)，為評估4級風(fēng)載荷對平臺(tái)精度的影響，系統(tǒng)分別在工況3和工況4時(shí)開機(jī)工作，通過對電性能參數(shù)的比較，驗(yàn)證了平臺(tái)4級風(fēng)保精度工作的性能指標(biāo)。

5 結(jié)束語

通過平臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元建模、仿真計(jì)算和應(yīng)力測試可以得到以下結(jié)論：使用ANSYS SCDM軟件可以高效地將CAD模型轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的CAE模型，為后續(xù)有限元仿真設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；根據(jù)平臺(tái)應(yīng)力測試和有限元仿真結(jié)果的對比，驗(yàn)證了該平臺(tái)結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了平臺(tái)有限元仿真模型的準(zhǔn)確性；通過高置信度仿真和工程測試等手段，一定程度上改變了完全依靠經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念，縮減了產(chǎn)品的開發(fā)周期和費(fèi)用，提前釋放風(fēng)險(xiǎn)。但與此同時(shí)，平臺(tái)的有限元建模和理論計(jì)算中只考慮了其主要載荷，而平臺(tái)實(shí)際工作時(shí)載荷比較復(fù)雜，如何能更有效地使理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用更好吻合，進(jìn)一步提高仿真置信度，還需要進(jìn)一步的探索。

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