一種動(dòng)中通天線減震系統(tǒng)的研究*

李玉龍

(西安克拉克通信科技有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

動(dòng)中通天線作為裝甲車通信的重要手段，是裝甲車必不可少的組成部分。裝甲車需要在復(fù)雜道路上行駛，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，此時(shí)動(dòng)中通天線會(huì)承受各個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)，要保證動(dòng)中通天線正常工作，不受損壞，天線的減震系統(tǒng)會(huì)起到非常重要的緩沖作用。鋼絲繩減震器，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗振動(dòng)效果好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

筆者研究的是一種M113裝甲車上動(dòng)中通天線減震系統(tǒng)在窄帶隨機(jī)振動(dòng)條件下的響應(yīng)。以重量為52 kg動(dòng)中通天線設(shè)備為基礎(chǔ)，研究鋼絲繩直徑對(duì)緩沖效果的影響，最后通過理論計(jì)算、Pro/E建模、Ansys振動(dòng)仿真、振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

1 裝甲車動(dòng)中通天線減震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及模型建立

裝甲車動(dòng)中通天線系統(tǒng)(見圖1)由動(dòng)中通天線、減震系統(tǒng)、固定底板組成。減震系統(tǒng)由4個(gè)減震器單元組成。

1.1 振動(dòng)條件和減震系統(tǒng)分析

文中研究的動(dòng)中通天線在寬帶隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境中，振動(dòng)條件為：Table-514.4 AXVII[1]，頻譜中隨機(jī)振動(dòng)的頻率為24～500 Hz。為了避免動(dòng)中通天線發(fā)生共振，減震系統(tǒng)起到良好的緩沖作用，設(shè)備的固有頻率[2]應(yīng)滿足下列公式:

(1)

式中：f0為固有頻率；f為振動(dòng)頻率；計(jì)算得到系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)滿足f0≤16.97 Hz。

1.2 Pro/E減震系統(tǒng)的建模與Ansys振動(dòng)仿真

1.2.1 減震器固有頻率的仿真與剛度計(jì)算

首先對(duì)某廠家特定型號(hào)減震器進(jìn)行分析，減震器鋼絲繩直徑為7 mm，繞制圈數(shù)為8圈，高度為71 mm。模型利用Pro/E建模后，Ansys對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分精度選擇0.05，進(jìn)行單元質(zhì)量檢查，單元邊界條件設(shè)置底部為固定支撐，然后對(duì)材料進(jìn)行賦值[3-5]，鋼絲的材料楊氏模量為2.1×105GPa，泊松比設(shè)置為0.269。對(duì)模型重新進(jìn)行模態(tài)分析(見圖2)，得到固有頻率f0為52 Hz，仿真得到減震器固有頻率在隨機(jī)振動(dòng)條件頻率(24～500 Hz)范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生共振，不符合要求。

通過Pro/E改變鋼絲繩直徑，重新建模，Ansys對(duì)模型重新進(jìn)行模態(tài)分析(見圖3)，得到固有頻率f0為16.79 Hz≤16.97 Hz，頻率滿足要求，此時(shí)鋼絲繩直徑為5.5 mm。利用公式[6]：

K=m(2πf0)2

(2)

式中：f0為固有頻率；K為減震器剛度；m為設(shè)備重量；得到減震器的剛度為K=590 000 N/M。

1.2.2 自由變形量、最大振幅仿真與隔振效率計(jì)算

動(dòng)中通天線系統(tǒng)在自由狀態(tài)下，根據(jù)Ansys輸出減震器的變形量云圖(見圖4)，得到最大變形量為4.57 mm。動(dòng)中通天線系統(tǒng)在隨機(jī)振動(dòng)條件下，根據(jù)Ansys輸出動(dòng)中通天線系統(tǒng)的最大振幅圖(見圖5)，得到最大振幅為0.465 mm 。

振動(dòng)傳遞效率T是在激勵(lì)作用下設(shè)備最大振幅X與自由狀態(tài)時(shí)變形量s的比值：

(3)

隔振效率：

η=1-T

(4)

根據(jù)公式(3)、(4)計(jì)算可得到減震器的隔振效率為89.8%。

1.2.3 減震器的應(yīng)力仿真

進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析， 根據(jù)Ansys輸出最大振幅的應(yīng)力云圖(見圖6)，得到最大應(yīng)力為1 104.9 MPa。

圖6 最大振幅的應(yīng)力云圖

理論應(yīng)力計(jì)算公式為：

(5)

式中：P為瞬時(shí)最大載荷；A為受力面積；得到理論最大應(yīng)力為σ=1 038.9 MPa。

2 樣品試驗(yàn)

2.1 進(jìn)行試驗(yàn)與記錄

利用仿真結(jié)果，生產(chǎn)出鋼絲繩減震器，鋼絲繩直徑為5.5 mm，繞制圈數(shù)為8圈，高度為71 mm。將設(shè)備安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，在振動(dòng)臺(tái)上設(shè)置1個(gè)控制加速度傳感器，分別在底板和動(dòng)中通天線系統(tǒng)設(shè)備上2個(gè)監(jiān)測加速器傳感器(如圖7)，完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，分別按照振動(dòng)條件對(duì)產(chǎn)品的橫軸、縱軸、垂直軸進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，每個(gè)軸有6種條件，依次對(duì)每個(gè)條件進(jìn)行45 min振動(dòng)試驗(yàn)。

圖7 振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)物圖

經(jīng)過兩天振動(dòng)試驗(yàn)，減震系統(tǒng)完成了18種振動(dòng)條件下的振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)完成后進(jìn)行檢查，動(dòng)中通天線設(shè)備上未發(fā)現(xiàn)螺釘松動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)零件損失、失效等情況。并記錄隨機(jī)振動(dòng)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所列。隔振效率的另一種計(jì)算方法為：

表1 隨機(jī)振動(dòng)條件下加速度響應(yīng)記錄表

(6)

式中：G1為控制加速度；G2為設(shè)備監(jiān)測加速度。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在垂直軸方向振動(dòng)試驗(yàn)，VO6條件下的控制加速度值最大；在橫軸和縱軸方向振動(dòng)試驗(yàn)，TO5和LO5條件下的控制加速度值最大，但是此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在VO6條件下的控制加速度。下面附圖說明在VO6條件下的加速度響應(yīng)曲線(見圖8)。

圖8 在VO6條件下加速度響應(yīng)曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

通過試驗(yàn)記錄表1看到，在VO2條件下，減震器的隔振效率最低為91.35%，此時(shí)設(shè)備的振幅最大。在LO4條件下，減震器的隔振效率最高為99.99%。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明減震器起到了良好的緩沖作用[7-8]。下面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(見表2)。

表2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

仿真與試驗(yàn)固有頻率的誤差在15%以內(nèi)，隔振效率在5%以內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一樣，驗(yàn)證了軟件仿真的可行性[9]。

3 結(jié) 論

通過上述分析研究，得到以下結(jié)論。

(1) 基于通用建模軟件Pro/E進(jìn)行建模并使用有限元分析軟件Ansys對(duì)試驗(yàn)振動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一樣，表明了Ansys模擬振動(dòng)特性在實(shí)際運(yùn)用是可行性的。

(2) 通過改變鋼絲繩直徑來改變減震系統(tǒng)的剛度，因而改變鋼絲繩的固有頻率，避開共振區(qū)域，提高減震效果，可以有效地保護(hù)設(shè)備的使用壽命。