王曉強(qiáng)，胡 嘯，朱馬炮

(1.海軍裝備部，湖北 武漢 430064；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064；3.北京中安航信科技有限公司，北京 100095)

0 引言

沖擊振動(dòng)是船用運(yùn)行環(huán)境中的常見現(xiàn)象，船體受到波浪的拍打而引發(fā)振動(dòng)和搖擺，發(fā)動(dòng)機(jī)工作引起船體振動(dòng)，現(xiàn)代艦船在海戰(zhàn)中必然會(huì)面臨非接觸爆炸引起的沖擊破壞問題[1]，或其他條件、環(huán)境因素等形成沖擊力等，給船上的電子設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。對(duì)于船用定向強(qiáng)聲裝置分系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說(shuō)，只有掌握了其運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和參數(shù)之間的整體內(nèi)在關(guān)系，才能有效控制機(jī)器運(yùn)行在最佳的狀態(tài)。

船用定向強(qiáng)聲裝置根據(jù)船用環(huán)境要求研制，其具有精準(zhǔn)的定向能力，以一定角度(±15°)發(fā)射難以承受的刺激性聲波，而在其他角度卻無(wú)不適。為使其能夠發(fā)揮最大效用，需要配合分系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)使用。轉(zhuǎn)臺(tái)作為定向強(qiáng)聲裝置的關(guān)鍵部件，其抗振性能直接影響船用定向強(qiáng)聲裝置的應(yīng)用效果。

轉(zhuǎn)臺(tái)在陸地機(jī)場(chǎng)等固定場(chǎng)所的定向強(qiáng)聲裝置中，已成熟應(yīng)用。對(duì)于船用定向強(qiáng)聲裝置的分系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)，還需要針對(duì)性地進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，由于轉(zhuǎn)臺(tái)樣機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，因此在樣機(jī)設(shè)計(jì)階段采用有限元軟件Ansys，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)開展模態(tài)計(jì)算、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)計(jì)算和疲勞分析等仿真計(jì)算[2]，為轉(zhuǎn)臺(tái)能滿足船用振動(dòng)沖擊的環(huán)境要求提供理論依據(jù)，縮短轉(zhuǎn)臺(tái)的研制周期、降低研制成本。

1 構(gòu) 成

船用定向強(qiáng)聲裝置由2 套強(qiáng)聲設(shè)備和1 臺(tái)控制臺(tái)組成，單套強(qiáng)聲設(shè)備包含擴(kuò)音器、功率放大器、轉(zhuǎn)臺(tái)和攝像系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)臺(tái)可支撐擴(kuò)音器并轉(zhuǎn)動(dòng)，仰角以零位（水平方向）為基準(zhǔn)，移動(dòng)范圍≥±45°；方位角以零位（強(qiáng)聲設(shè)備正前方）為基準(zhǔn)，移動(dòng)范圍≥±170°、轉(zhuǎn)臺(tái)帶負(fù)載能力為最大載重80 kg。

2 裝置應(yīng)用環(huán)境

船用定向強(qiáng)聲裝置需要在振動(dòng)、沖擊和顛震等方面，考慮機(jī)械可靠性。在振動(dòng)、沖擊和顛震等方面的環(huán)境試驗(yàn)，均有相關(guān)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)可以參照。

1）振動(dòng)[3]

振動(dòng)試驗(yàn)條件見表1 和表2。

表1 正弦掃頻功能試驗(yàn)和耐振試驗(yàn)條件Tab.1 Sine sweep function test and anti vibration test conditions

表2 隨機(jī)振動(dòng)功能試驗(yàn)條件Tab.2 Random vibration function test conditions

2）沖擊[4]

沖擊試驗(yàn)條件見表3。

表3 沖擊試驗(yàn)條件Tab.3 Impact test conditions

3）顛震[5]

在總顛震次數(shù)3 000 次、脈沖持續(xù)時(shí)間16 ms、峰值加速度70 m/s2的顛震環(huán)境下正常工作。

3 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)是兩軸傳動(dòng)設(shè)備，采用精密機(jī)械軸系，帶動(dòng)擴(kuò)音器實(shí)現(xiàn)俯仰和方位方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)中對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的角位置、角速度范圍提出了一定要求。為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，技術(shù)路線為選擇合適的臺(tái)體結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式、高性能的執(zhí)行和測(cè)量元件、模塊化的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化的控制軟件等。

轉(zhuǎn)臺(tái)由機(jī)械臺(tái)體、控制系統(tǒng)和負(fù)載3 部分組成。轉(zhuǎn)臺(tái)外形如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)外形圖Fig.1 Table drawing

1）機(jī)械臺(tái)體

轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械臺(tái)體為立式2 軸轉(zhuǎn)臺(tái)，由框架、基座和內(nèi)部硬件組成。內(nèi)部硬件包括俯仰和方位2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸系、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、位置反饋元件等硬件部分?？紤]到試驗(yàn)環(huán)境以及產(chǎn)品周期的要求，轉(zhuǎn)臺(tái)的框架全部采用鋁合金銑加工而成，鋁合金通過(guò)氧化處理后防鹽霧及霉菌性能好，生產(chǎn)周期短。水平軸和俯仰軸采用高強(qiáng)度合金鋼40Cr 加調(diào)質(zhì)熱處理，通過(guò)電鍍防腐處理后防鹽霧及霉菌性能良好。

2）控制系統(tǒng)

控制元器件安裝在臺(tái)體內(nèi)，設(shè)計(jì)為機(jī)控一體式結(jié)構(gòu)。

負(fù)載為擴(kuò)音器，設(shè)計(jì)重量75 kg。轉(zhuǎn)臺(tái)軸系為立式U-T 結(jié)構(gòu)。方位框架為U 形結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)范圍±170o；俯仰部件框架為負(fù)載，運(yùn)動(dòng)范圍±90o。負(fù)載擴(kuò)音器作為轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰框，其兩側(cè)各有一個(gè)安裝盤，與俯仰軸連接。俯仰軸系安裝于方位框的耳座內(nèi)，方位框與方位軸系連接，方位軸系安裝于底座內(nèi)。

4 轉(zhuǎn)臺(tái)抗振仿真分析

轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)要求中，轉(zhuǎn)臺(tái)需要做振動(dòng)、顛震、沖擊等試驗(yàn)，因此需要在盡量減輕重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的基礎(chǔ)上提高框架的強(qiáng)度。轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)需具備良好的剛強(qiáng)度以提高其抗沖擊性[6]和抗振動(dòng)性能。在三維實(shí)體造型的基礎(chǔ)上，給出符合實(shí)際工況、實(shí)際載荷、邊界條件、材料特性等參數(shù)，可以準(zhǔn)確計(jì)算出整個(gè)零部件的自然頻率、應(yīng)力、變形、位移、應(yīng)變以及零部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、瞬間響應(yīng)、動(dòng)力學(xué)分析等結(jié)果。從而減少設(shè)計(jì)周期，增加設(shè)計(jì)的可靠性。

轉(zhuǎn)臺(tái)材料屬性如表4 所示。

表4 轉(zhuǎn)臺(tái)材料屬性表Tab.4 Table of turntable material properties

以上述轉(zhuǎn)臺(tái)三維結(jié)構(gòu)圖和材質(zhì)列表為基礎(chǔ)，采用Ansys Workbench 有限元分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行仿真分析，分析過(guò)程如下：

1）分析項(xiàng)目

①進(jìn)行橫向、垂向、縱向隨機(jī)振動(dòng)分析，評(píng)估設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

② 進(jìn)行橫向、垂向、縱向掃頻振動(dòng)分析，評(píng)估設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

③進(jìn)行橫向、垂向、縱向定頻耐久振動(dòng)分析，評(píng)估設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

④ 進(jìn)行垂向顛震分析，評(píng)估設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

⑤ 進(jìn)行橫向、垂向、縱向沖擊響應(yīng)計(jì)算，評(píng)估設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）分析思路

依據(jù)實(shí)際試驗(yàn)類型及試驗(yàn)條件對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析，分析類型與試驗(yàn)類型對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5 所示。

表5 試驗(yàn)類型及對(duì)應(yīng)仿真類型關(guān)系Tab.5 Relationship between test types and corresponding simulation types

3）評(píng)估準(zhǔn)則

①結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估準(zhǔn)則為轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力最大處的Von Mises 等效應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服極限。

② 有限元簡(jiǎn)化幾何模型[7]方法及假設(shè)

僅考慮材料的線彈性物理性質(zhì)，不考慮材料的塑性和應(yīng)變率效應(yīng)；電機(jī)組件采用實(shí)體模擬，并且根據(jù)質(zhì)量和體積計(jì)算出密度；不考慮構(gòu)件安裝的初始應(yīng)力，不考慮加工誤差；設(shè)備內(nèi)負(fù)載、電路板采用質(zhì)量點(diǎn)模擬；軸承簡(jiǎn)化為內(nèi)外2 個(gè)圓環(huán)實(shí)體，并采用綁定連接；對(duì)設(shè)備的小孔和倒角進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

4）模型建立

①對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了有限元離散處理，劃分有限元單元節(jié)點(diǎn)數(shù)目為298 004 個(gè)，有限元單元網(wǎng)格數(shù)目為151 943 個(gè)。

② 根據(jù)實(shí)際安裝情況，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)底部施加固定約束。

5）模態(tài)分析

模態(tài)分析的目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[8]，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)模型進(jìn)行30 階模態(tài)分析，模態(tài)階數(shù)及對(duì)應(yīng)的固有頻率見表6。

6）隨機(jī)振動(dòng)分析

根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求，轉(zhuǎn)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的條件見表7。

表7 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.7 Random vibration test conditions

對(duì)設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，得到轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖和應(yīng)力云圖（見圖2），最大位移最大應(yīng)力及最大應(yīng)力部位（部件）分析結(jié)果見表8。

表8 隨機(jī)振動(dòng)最大位移與最大應(yīng)力分析結(jié)果列表Tab.8 Random vibration maximum displacement and maximum stress analysis results list

圖2 X 軸隨機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖與應(yīng)力云圖Fig.2 Displacement nephogram and stress nephogram of x-axis random vibration turntable

可知，各部件的受力均小于材料的屈服極限值。

7）諧響應(yīng)分析（掃頻振動(dòng)分析）

轉(zhuǎn)臺(tái)掃頻試驗(yàn)的條件見表9。有限元加載曲線見圖3，加載位置在轉(zhuǎn)臺(tái)底部。

圖3 加載載荷Fig.3 Loading

表9 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.9 Swept frequency vibration test conditions

對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到轉(zhuǎn)臺(tái)響應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)加速度曲線、位移云圖和應(yīng)力云圖見圖4 所示，得到轉(zhuǎn)臺(tái)在X，Y，Z三個(gè)軸向掃頻振動(dòng)的最大位移、最大應(yīng)力及最大應(yīng)力部位（部件），分析結(jié)果如表10所示。

表10 掃頻振動(dòng)最大位移與最大應(yīng)力分析結(jié)果列表Tab.10 List of maximum displacement and maximum stress analysis results of swept frequency vibration

圖4 X 軸掃頻轉(zhuǎn)臺(tái)響應(yīng)點(diǎn)加速度曲線、位移云圖和應(yīng)力云圖Fig.4 Response point acceleration curve,displacement nephogram and stress nephogram of x-axis frequency sweep turntable

可知，各部件的受力均小于材料的屈服極限值。

8）諧響應(yīng)分析（定頻試驗(yàn)）

耐振試驗(yàn)條件見表11。有限元加載位置轉(zhuǎn)臺(tái)底部。在諧響應(yīng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)模態(tài)分析前3 階的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)第1 階模態(tài)頻率為35.783 Hz，振型變化方向?yàn)閄向，第2 階模態(tài)頻率為38.086 Hz，振型變化方向?yàn)閅向，第3 階模態(tài)頻率為78.504 Hz，大于60 Hz。故得出X、Y、Z方向的定頻條件見表12。

表11 耐振試驗(yàn)條件Tab.11 Vibration test conditions

表12 定頻分析條件Tab.12 Constant frequency analysis conditions

計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺(tái)最大位移量及最大應(yīng)力與掃頻振動(dòng)的結(jié)果相同。

9）轉(zhuǎn)臺(tái)顛震試驗(yàn)分析

轉(zhuǎn)臺(tái)顛震試驗(yàn)條件見表13。有限元加載曲線見圖5，加載位置轉(zhuǎn)臺(tái)底部。

表13 顛震試驗(yàn)條件Tab.13 Conditions of bump test

圖5 加載載荷Fig.5 Loading load

對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到轉(zhuǎn)臺(tái)在Z軸向顛震的位移云圖和應(yīng)力云圖(見圖6)，最大位移、最大應(yīng)力及最大應(yīng)力部位(部件)分析結(jié)果見表14。

圖6 Z 軸向顛震轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖和應(yīng)力云圖Fig.6 Displacement nephogram and stress Nephogram of z-axis shaking table

表14 顛震最大位移與最大應(yīng)力分析結(jié)果列表Tab.14 List of the results of the maximum displacement and maximum stress analysis of the British earthquake

其中Z方向最大應(yīng)力為44.079 MPa，各部件的受力均小于材料的屈服極限值。

10）擺錘沖擊試驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)沖擊輸入譜[9]如表15 所示。

表15 沖擊試驗(yàn)條件Tab.15 Impact test conditions

其中，A0和V0的計(jì)算公式為：

式中：ma為設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量，t；A0和V0為標(biāo)稱加速度譜和速度譜，m/s2和m/s。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行譜分析，得到轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖及應(yīng)力云圖，如圖7 所示。轉(zhuǎn)臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)軸向沖擊的最大位移，最大應(yīng)力及最大應(yīng)力部位（部件），分析結(jié)果見表16。

圖7 Z 軸沖擊轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖與應(yīng)力云圖Fig.7 Displacement nephogram and stress nephogram of z-axis impact turntable

表16 擺錘沖擊轉(zhuǎn)臺(tái)最大位移與最大應(yīng)力分析結(jié)果列表Tab.16 List of the results of the analysis of the maximum displacement and maximum stress of pendulum impact turntable

其中X方向最大應(yīng)力為145.6 MPa，Y方向最大應(yīng)力為131.42 MPa，Z方向最大應(yīng)力為289.62 MPa。其中關(guān)鍵部件為水平軸套，水平軸套選用40Cr 材質(zhì)，各部件的受力均小于材料的屈服極限值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)典型的船舶應(yīng)用環(huán)境，梳理了GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第十六部分：振動(dòng)試驗(yàn)》、GJB 4.8-1983《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)條件顛震試驗(yàn)》、GJB 4.9-1983《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)：沖擊試驗(yàn)》等國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)在振動(dòng)、顛震、擺錘沖擊等方面的試驗(yàn)要求，對(duì)船用定向強(qiáng)聲裝置的分系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用Ansys Workbench 有限元分析軟件，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到關(guān)鍵部位的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，各部件的受力均小于屈服極限值，符合設(shè)計(jì)要求，可開展樣機(jī)生產(chǎn)驗(yàn)證工作。