某艦載伺服轉(zhuǎn)臺動力學(xué)仿真分析

黃 興，蔡 瀟，閆秀峰

(1.海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備代表室，上海 201800;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

伺服轉(zhuǎn)臺是雷達(dá)系統(tǒng)中極其重要的組成部分，它是支撐天饋系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置、機電參數(shù)轉(zhuǎn)換單元的主體基座，是承受靜載、動載(振動、沖擊等)的關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件。轉(zhuǎn)臺的設(shè)計和制造對雷達(dá)系統(tǒng)的精度、可靠性、加工周期和成本影響都很大。未來隨著通信技術(shù)和雷達(dá)性能的不斷發(fā)展，小型化、響應(yīng)快、精度高、環(huán)境適應(yīng)性強將是今后轉(zhuǎn)臺的主要發(fā)展趨勢。本文所述轉(zhuǎn)臺為某艦載設(shè)備。其工作環(huán)境惡劣，機械性能以及密封性要求都較高。設(shè)計時主要從整體結(jié)構(gòu)布局、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件材料、工藝處理、裝配等方面入手，同時采用有限元分析方法，對轉(zhuǎn)臺的剛度、強度進(jìn)行有限元仿真分析，這樣既縮短了轉(zhuǎn)臺設(shè)計周期，也大大提高了轉(zhuǎn)臺的經(jīng)濟(jì)性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 轉(zhuǎn)臺使用要求

該伺服轉(zhuǎn)臺首先要實現(xiàn)方位和俯仰二維的指向、掃描功能，同時需滿足艦載環(huán)境條件。 在工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺方位可實現(xiàn)360°連續(xù)掃描，俯仰在-20°～+15°范圍內(nèi)連續(xù)扇掃。其中方位轉(zhuǎn)動最大角速度為90°/s，俯仰轉(zhuǎn)動最大角速度為20°/s，方位、俯仰轉(zhuǎn)動角加速度均為70°/s2?？癸L(fēng)能力：≤35 m/s，正常工作；≤45 m/s，不損壞。

1.2 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)該轉(zhuǎn)臺的安裝空間采用了立軸式結(jié)構(gòu)。該種型式可充分利用軸向尺寸以彌補徑向尺寸的不足，且結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便。

轉(zhuǎn)臺分為方位、俯仰兩部分。方位的傳動形式為標(biāo)準(zhǔn)直齒輪二級傳動。方位傳動立軸通過一對圓柱滾子軸承分別與底座和上蓋連接，傳動軸靠近底座一端安裝有方位測角裝置和匯流環(huán)，另一端與俯仰支架相連。

由于俯仰轉(zhuǎn)速較低，且傳動精度要求不高，因此俯仰的傳動形式采用平面連桿機構(gòu)，該機構(gòu)形狀簡單，加工方便，同時能承受較大的沖擊力[1]，主要由底板、俯仰支架、俯仰平板、橫軸等組成，通過俯仰驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)運動。轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)特性

針對轉(zhuǎn)臺的指標(biāo)要求及使用條件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方法選擇上，側(cè)重保證轉(zhuǎn)臺以下結(jié)構(gòu)特性，并針對此類特性，采取相應(yīng)措施。轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)特性如下：

(1) 轉(zhuǎn)臺整體機械性能好

在設(shè)計時，根據(jù)指標(biāo)要求，針對轉(zhuǎn)臺中的重要結(jié)構(gòu)件，如方位底座、俯仰支架、底板等均采取整體融模鑄造的工藝模式。相比拼焊的結(jié)構(gòu)方式，該種工藝技術(shù)剛度更好，變形小。方位傳動齒輪副的齒面均進(jìn)行高頻淬火處理，硬度為HRC47～52。同時齒邊研磨，降低傳動時的振動和噪聲。俯仰部分結(jié)構(gòu)設(shè)計成封閉框架型式，以便提高系統(tǒng)整體剛度。

(2) 方位、俯仰傳動鏈路誤差小

從設(shè)計、加工和裝配3個環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差控制。

在設(shè)計過程，對轉(zhuǎn)臺上重要零部件的配合尺寸、形位公差、表面粗糙度都做了詳細(xì)要求：如齒輪孔的直徑、鍵槽的寬度等公差需控制在0.003 mm之內(nèi)；齒輪、齒坯兩端面平行度需控制在0.01 mm；在加工過程，對有關(guān)聯(lián)尺寸的零部件均需設(shè)定同一加工基準(zhǔn)；在裝配過程，統(tǒng)一安裝基準(zhǔn)。

(3) 防腐蝕能力強

由于轉(zhuǎn)臺在海上工作時要受到鹽霧、霉菌、海浪的影響，因此其防水、防潮、防腐的能力要高。在設(shè)計時，所有旋轉(zhuǎn)軸輸出端均采用旋轉(zhuǎn)軸封與端面密封相結(jié)合的密封方式；對于受海浪沖擊部位，采用迷宮或者二重、三重防護(hù)的措施；對于容易積水的密閉空間，增開落水孔和導(dǎo)流槽；防護(hù)蓋板邊緣處均設(shè)置包圍臺階，設(shè)置迷宮防護(hù)； 同時，暴露在外的元器件均選用IP65以上的防水等級。

2 仿真分析

對轉(zhuǎn)臺的仿真分析主要從2個維度展開：剛度和強度。

針對轉(zhuǎn)臺剛度，主要采用模態(tài)仿真分析法，找出系統(tǒng)的最低固有頻率和相應(yīng)振型。通過分析頻率數(shù)值和振型模式，找出影響轉(zhuǎn)臺剛度的薄弱環(huán)節(jié)。針對轉(zhuǎn)臺強度，主要選取艦載時最大沖擊加速度進(jìn)行加載分析，求出最大應(yīng)力點。

在將轉(zhuǎn)臺的物理模型轉(zhuǎn)化為有限元模型時，要對轉(zhuǎn)臺中的特殊構(gòu)件做相應(yīng)的等效處理。方位、俯仰驅(qū)動系統(tǒng)的等效主要依據(jù)轉(zhuǎn)動慣量動能等效和剛度勢能等效的原則[2]，對于電機中的定子和轉(zhuǎn)子、軸承的內(nèi)圈和外圈，均可依此原則進(jìn)行等效。通過上述等效處理，可對轉(zhuǎn)臺裝配體進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分等操作[3]。該有限元模型共含有節(jié)點21 000個，實體單元8 500個，殼單元1 300個，桿單元120個，連接單元1 175個。模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)臺有限元模型

2.1 模態(tài)及振型分析仿真

由于轉(zhuǎn)臺為立軸式，且重心位置位于安裝面的上部，因此，保證轉(zhuǎn)臺俯仰的剛度尤為重要，模態(tài)分析的對象為俯仰的結(jié)構(gòu)形式。為便于找出剛度中的薄弱環(huán)節(jié)，采取逐級模態(tài)分析法，先分析俯仰底板，再分析俯仰整體平面機構(gòu)。

由于是艦載設(shè)備，且該轉(zhuǎn)臺安裝于低頻區(qū)，因此模態(tài)分析只考察前4階頻率。

2.1.1 底板模態(tài)及振型

一階模態(tài)頻率點114 Hz，振型為底板上下擺動；二階模態(tài)頻率點259 Hz，振型為底板左右擺動。其振型示意如圖3所示。

三階模態(tài)頻率點306 Hz，底板前后扭擺；四階模態(tài)頻率點409 Hz，底板整體上下擺動。其振型如圖4所示。

圖3 一階、二階模態(tài)振型示意圖

圖4 三階、四階模態(tài)振型示意圖

2.1.2 平面連桿機構(gòu)模態(tài)及振型

平面連桿機構(gòu)模態(tài)振型示意圖如圖5和圖6所示。一階模態(tài)頻率點114 Hz，振型為底板上下擺動；二階模態(tài)頻率點257 Hz，振型為底板左右擺動；三階模態(tài)頻率點296 Hz，振型為平面連桿機構(gòu)前后扭擺；四階模態(tài)頻率點406 Hz，振型為橫軸扭擺。

仿真分析結(jié)論：不管是對單個零件還是結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行分析，前幾階頻率激起部位均為俯仰支架的底板，說明底板剛度較差，在系統(tǒng)整體可能引起結(jié)構(gòu)局部諧振； 系統(tǒng)整體低階頻率較高，這是由于該天線座尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，對低階頻率不敏感，因此作為艦載設(shè)備，由于其固有頻率與激勵頻率是幾倍頻的關(guān)系，因此系統(tǒng)剛度能滿足要求。

3 沖擊仿真

根據(jù)艦載沖擊條件，結(jié)合轉(zhuǎn)臺安裝部位，對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行30g的沖擊加載，加載后應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖5 連桿機構(gòu)一階、二階模態(tài)振型示意圖

圖6 連桿機構(gòu)三階、四階模態(tài)振型示意圖

圖7 沖擊應(yīng)力云圖

由仿真分析結(jié)果可知：最大應(yīng)力位于圖中A處，即為底板與小支架的連接處，大小為70.7 MPa≤鑄鋁的屈服應(yīng)力(150 Mpa)，在沖擊作用下，俯仰支架底板開孔兩側(cè)有相對擺動的趨勢，且布置驅(qū)動系統(tǒng)一側(cè)其擺動幅度較大；小支架與底板連接處剛度、強度均單薄，且連接面較小再加之底板的片狀結(jié)構(gòu)使得整體框架剛度和穩(wěn)定性較差。為此，做如下改進(jìn)措施：

(1) 底板變?yōu)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，在側(cè)面設(shè)計加強筋；

(2) 小支架底座加大，增加固定孔。

4 結(jié)束語

用有限元的方法對系統(tǒng)進(jìn)行動、靜力學(xué)分析是目前求解力學(xué)問題的主要方法，本文結(jié)合實際工作，對某艦載伺服轉(zhuǎn)臺進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，求解了其模態(tài)和振型，并模擬了在30g的沖擊加速度作用下俯仰部分的受力情況，并針對仿真結(jié)果，對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。目前，該轉(zhuǎn)臺已隨項目進(jìn)行了較長時間的海上試驗，運行狀況良好。