車載光電穩(wěn)定平臺(tái)外框架優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉長(zhǎng)順，王 兵，陳兆兵

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

1 引言

穩(wěn)定平臺(tái)在飛機(jī)、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(biāo)的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)等功能的實(shí)現(xiàn)。在慣性系統(tǒng)中，穩(wěn)定平臺(tái)為加速度計(jì)提供姿態(tài)基準(zhǔn)，為外架設(shè)備提供穩(wěn)定的承載平臺(tái)。因此，如何通過合理的設(shè)計(jì)使平臺(tái)滿足系統(tǒng)的使用要求已成為當(dāng)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(tái)系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象，與外框架相連的2套軸系精度決定了整個(gè)系統(tǒng)的精度，因此外框架的結(jié)構(gòu)變形對(duì)平臺(tái)整體精度與穩(wěn)定性具有重要影響。在車載動(dòng)態(tài)使用環(huán)境條件下，光電系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)要求十分嚴(yán)格，穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度須滿足承載要求高、設(shè)備尺寸大、有動(dòng)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(gè)立柱連接，立柱固定在基座上;同時(shí)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(duì)外框架進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化十分必要。

針對(duì)當(dāng)前穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)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(duì)外框架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過仿真或試驗(yàn)等手段驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)［7-11］的可行性。

2 外框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺(tái)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(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)平臺(tái)臺(tái)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 穩(wěn)定平臺(tái)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(gè)軸系構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的縱搖和橫搖擺動(dòng)。由于其在精度、剛度等方面對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)和影響最大，因此需要對(duì)外框架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)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(dòng)慣量以及結(jié)構(gòu)的裝調(diào)方便，認(rèn)為圖3所示的結(jié)構(gòu)較為合理，因此對(duì)圖3的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度進(jìn)行校核，需要進(jìn)行有限元分析。采用UG軟件建立外框架結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，然后利用PATRAN軟件對(duì)模型進(jìn)行前處理，采用NASTRAN軟件計(jì)算分析結(jié)果。在模型建立過程中，為了減小模型的計(jì)算量，對(duì)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(jìn)行了簡(jiǎn)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(diǎn)性質(zhì)的四面體實(shí)體單元模型。對(duì)大部分規(guī)則區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)劃分，某些對(duì)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(gè)框架共劃分為3 659個(gè)單元，7 657個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(qiáng)度的選擇?？紤]到結(jié)構(gòu)的大承載能力及輕量化設(shè)計(jì)要求，對(duì)在車載動(dòng)載荷條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，要盡量選擇比剛度和比強(qiáng)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(gè)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(huì)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(jì)時(shí)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)材料進(jìn)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(duì)比以往設(shè)計(jì)所采用的鑄鋁、鑄鐵等材料［12］，AlSi20RE具有明顯的性能優(yōu)點(diǎn)，如比剛度和比強(qiáng)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(dòng)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(duì)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(tái)外框架的實(shí)際工作環(huán)境，需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行工況設(shè)置，本結(jié)構(gòu)裝配后可以認(rèn)為是單一的剛體結(jié)構(gòu)，工作時(shí)僅有兩個(gè)軸框與其他結(jié)構(gòu)接觸。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，設(shè)置軸框四周的接觸力為均布力，且假設(shè)兩個(gè)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)變形分析和動(dòng)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(dòng)力學(xué)模態(tài)分析圖Fig.7 Diagram of dynamical modal analysis

由動(dòng)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(dá)到97.4 Hz，完全能夠避開車載時(shí)的共振頻率(該結(jié)構(gòu)為車載系統(tǒng)，正常工作時(shí)油機(jī)的振動(dòng)頻率為-50 Hz，可以認(rèn)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(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性和可行性。

5 結(jié)論

對(duì)車載穩(wěn)定平臺(tái)的外框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用UG軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，采用MSC.PATRAN有限元前處理軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了工況設(shè)置，采用MSC.NASTRAN有限元后處理軟件對(duì)模型進(jìn)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(qiáng)度要求的前提下實(shí)現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)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(jì)是合理可行的。

［1］ 魏穎，張波，李麗，等.基于體系結(jié)構(gòu)的軟件可靠性評(píng)估［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(2)：485-490.WEI Y，ZHANG B，LI L，et al..Architecture-based software reliability evaluation［J］.Opt．Precision Eng．，2010，18(2)：485-490.(in Chinese)

［2］ 胡新寧，王厚生，王暉，等.超導(dǎo)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(1)：169-174.HU X N，WANG H S，WANG H，et al..Design of drive device for spinning superconducting rotors［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(1)：169-174.(in Chinese)

［3］ 鄭猛，馮其波，邵雙運(yùn)，等.CR掃描儀激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(1)：21-27.ZHENG M，F(xiàn)ENG Q B，SHAO SH Y，et al..Design of laser scanning optical systems for computed radiography［J］.Opt．，2010，18(1)：21-27.(in Chinese)

［4］ 李曉韜.應(yīng)用慣性沖擊原理的非對(duì)稱夾持式壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(1)：156-161.LI X T.Design of asymmetrical rotated piezoelectric actuators based on impact driving principle［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(1)：156-161.(in Chinese)

［5］ 陳旭，劉偉奇，康玉思，等.非球面補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝調(diào)［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(1)：88-93.CHEN X，LIU W Q，KANG Y S，et al..Design and tolerance analysis of offner compensator［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(1)：88-93.(in Chinese)

［6］ 李琳，楊勇.空間曲線切口式柔性鉸的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(10)：2192-2198.LI L，YANG Y.Design of flexure hinges with space curve notches［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(10)：2192-2198.(in Chinese)

［7］ 龔雨兵，楊世模，陳志遠(yuǎn).長(zhǎng)縫光譜儀主結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2009，17(11)：2638-2645.GONG Y B，YANG SH M，CHEN ZH Y.Robust optimization design of primary structures of long slit spectrometers［J］.Opt．Precision Eng.，2009，17(11)：2638-2645.(in Chinese)

［8］ 韓旭，馬軍，居波，等.三線陣測(cè)繪相機(jī)熱光學(xué)試驗(yàn)交會(huì)角測(cè)試系統(tǒng)［J］.光學(xué) 精密工程，2009，17(12)：2959-2965.HAN X，MA J，JU B，et al..Measuring system of space intersection angle for three-line mapping camera in thermal-optical test［J］.Opt．Precision Eng．，2009，17(12)：2959-2965.(in Chinese)

［9］ 韓旭，吳清文，董得義，等.室溫硫化膠層建模在透鏡結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(1)：118-125.HAN X，WU Q W，DONG D Y，et al..Application of RTV adhesive modeling to structure analysis of reflective mirror［J］.Opt．Precision Eng．，2010，18(1)：118-125.(in Chinese)

［10］劉強(qiáng)，房建成，韓邦成，等.磁懸浮飛輪鎖緊裝置及其優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.光學(xué) 精密工程，2010，18(8)：1814-1821.LIU Q，F(xiàn)ANG J CH，HAN B CH，et al..Locking device for magnetic bearing flywheel and its optimization［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(8)：1814-1821.(in Chinese)

［11］ 楊洪濤，賈繼強(qiáng).機(jī)載光電平臺(tái)內(nèi)框架剛度及模態(tài)有限元分析［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2005，22(11)：311-314.YANG H T，JIA J Q.Finite element modality and stiffness analysis of airborne electro-optical platform inner-ginbal［J］.Computer Simulation，2005，22(11)：311-314.(in Chinese)

［12］ AWAD A N.Investigate the parameters effect on thermogravimetry analysis(TGA)performance for SOx additive in FCC units［J］.J．Environmental Sci．Eng.，2010，4(10)：44-50.