高強(qiáng)度望遠(yuǎn)鏡載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析*

周明亮,張奔雷,盧保偉

(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)

0 引 言

光電設(shè)備是用于探測(cè)空間目標(biāo)的一個(gè)很重要的工具,光電經(jīng)緯儀作為最具代表性的光電探測(cè)設(shè)備,不僅能夠詳細(xì)地記錄空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的飛行軌跡和姿態(tài)[1],而且測(cè)量準(zhǔn)確,不易受到地面上雜波的影響,比雷達(dá)等無線電設(shè)備更有優(yōu)勢(shì)。因此,它常常作為一種重要的測(cè)量手段,用于靶場(chǎng)測(cè)量火箭、炮彈等的飛行外彈道[2-5]。隨著光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及伺服控制技術(shù)的發(fā)展,光電設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景也越來越廣泛,這些設(shè)備不僅可以對(duì)空間目標(biāo)實(shí)施可晝夜的、自動(dòng)跟蹤的功能[6-7],還可以實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)的位置[8]。目前,光電探測(cè)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域劃分已經(jīng)越來越細(xì),功能也越來越強(qiáng)大,從最初的測(cè)量外彈道,到現(xiàn)在的靶場(chǎng)測(cè)量、激光發(fā)射、光電對(duì)抗、空間探測(cè)等功能均可實(shí)現(xiàn)。

按照工作載體進(jìn)行劃分,光電設(shè)備可以分為地基式、艦載式、車載式、機(jī)載式[9]、星載式等。較為常見的車載式光電設(shè)備又可以分為下車式和不下車式,顧名思義,前者是指在運(yùn)輸途中將光電設(shè)備放在載車上,工作中將其移到地面上進(jìn)行測(cè)量;與前者不同,后者無論是否處于工作狀態(tài),均需將光電設(shè)備固定在載車上,工作時(shí)則需將載車平臺(tái)進(jìn)行支撐以提高工作基礎(chǔ)的剛度[10]。從工作原理上來說,各種光電設(shè)備基本一致,但它們的結(jié)構(gòu)、用途、控制方法等具有很大的差別,筆者主要討論了一種大型的車載望遠(yuǎn)鏡的載車平臺(tái)技術(shù)。

該車載望遠(yuǎn)鏡的各部分結(jié)構(gòu)十分緊湊,且大多部分都采用了輕量化的設(shè)計(jì),該車載望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)總體質(zhì)量超過15 t。由于光學(xué)系統(tǒng)價(jià)值過高,所以載車在運(yùn)行過程中和光學(xué)系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下要以保證光學(xué)系統(tǒng)的安全為前提,同時(shí)要求載車在兩種狀態(tài)下都要滿足望遠(yuǎn)鏡底部圓環(huán)面的面型要求。因此需要對(duì)載車平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用有限元分析方法對(duì)每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,選出最優(yōu)結(jié)構(gòu),以保證其功能[11-12]。

初步確定載車平臺(tái)主要分為主體框架和中心承載結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。針對(duì)載車平臺(tái)對(duì)整體框架剛度和承載區(qū)域面形的要求,對(duì)載車平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),使其能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求。并分別針對(duì)主體框架和中心承載結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析,最終得出最優(yōu)方案。

1 載車主體框架的設(shè)計(jì)

載車平臺(tái)的主體框架結(jié)構(gòu)的剛度決定了整個(gè)載車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度,是整個(gè)載車系統(tǒng)的骨架,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[13]。在保證主體框架結(jié)構(gòu)有較高的剛度和抗彎強(qiáng)度的情況下,載車平臺(tái)的質(zhì)量也要保持在合理的范圍內(nèi),不能有太大的質(zhì)量。因此,框架系統(tǒng)大都采用焊接成型技術(shù),用各種型鋼焊接成型即可以保證結(jié)構(gòu)比剛度,成本而且也較低[14]。

按照20 t進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剛度,主體車架橫截面抗彎截面剛度越大越好,而H型鋼或方形鋼的抗彎截面剛度大,因此載車主體框架預(yù)采用H型鋼和方形鋼拼接焊接,前后額頸均采用方形鋼呈井字形焊接,中間部位的大梁及副梁分別采用H型鋼和方鋼。

根據(jù)車上外形較大設(shè)備尺寸,預(yù)留人員操作的空間,再根據(jù)車輛運(yùn)輸時(shí)的界限尺寸要求,結(jié)合原有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)主體框架外形尺寸為:12 800 mm×3 000 mm×1 310 mm。其二維示意圖如圖1所示。

圖1 載車主體框架二維示意圖

圖2、3為主體框架結(jié)構(gòu)一和二的示意圖。其中,圖2所示結(jié)構(gòu)中間部分用H型鋼作為大梁和橫梁,方鋼作為副梁,中心承載部位由筋板焊接并與由四根H型鋼拼成的井字形結(jié)構(gòu)相連,圓形筋板剛性較好且主要受壓,圓形外筋板主要受拉,從而形成類似于網(wǎng)兜型的結(jié)構(gòu)。

圖2 主體框架結(jié)構(gòu)一

圖3所示結(jié)構(gòu)利用了H型鋼具有大剛度、抗彎強(qiáng)度高等特點(diǎn),其大梁副梁及橫梁通體都用H型鋼拼湊焊接而成,中心承載部分由環(huán)形板焊接成H形狀板然后焊接在三根大梁上,同時(shí)沿上下兩圓環(huán)版中間筋法向、圓周均勻分布24條等寬筋板。

圖3 主體框架結(jié)構(gòu)二

圖4所示為靜立支撐狀態(tài)下結(jié)構(gòu)形式一的中心承載面均勻承受光學(xué)系統(tǒng)全部重量時(shí)的變形云圖,承載面最大位移為10.592 mm。圖5所示為靜立支撐狀態(tài)下主體框架結(jié)構(gòu)二的中心承載面均勻承受光學(xué)系統(tǒng)全部重量時(shí)的變形云圖,承載面最大位移為3.485 mm。

圖4 結(jié)構(gòu)一的變形云圖 圖5 結(jié)構(gòu)二變形的變形云圖

將圖2和圖3所示結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,不難看出圖2載車結(jié)構(gòu)配合承載塔臺(tái)剛度一般,而且整個(gè)結(jié)構(gòu)焊接較為復(fù)雜;除了主體結(jié)構(gòu)的H型鋼和方形鋼的焊接外,中心承載部分筋板的焊接更是重中之重,關(guān)乎著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)方式對(duì)鋼料的焊接提出了較高的要求,加工難度大,成本高,如果焊接后的應(yīng)力釋放不均勻,還可能會(huì)引入變形和內(nèi)部應(yīng)力。而采用圖3所示結(jié)構(gòu)中心承載區(qū)域配合承載塔臺(tái)剛度更好,相對(duì)于圖2結(jié)構(gòu),其變形大大減小,并且中間部位完全采用H型鋼組合焊接,加工精度大大降低。但由于結(jié)構(gòu)二比結(jié)構(gòu)一多一根H型鋼大梁,同時(shí)結(jié)構(gòu)二副梁比結(jié)構(gòu)一質(zhì)量要高,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)二總質(zhì)量相對(duì)于結(jié)構(gòu)一增加30%。文中選用圖3所示結(jié)構(gòu)作為載車的主體框架并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

2 載車承載區(qū)域設(shè)計(jì)

2.1 車架承載位置的確定

靜立支撐狀態(tài)下,要求載車中心承載面面型精度及各點(diǎn)平均位移相近,載車平臺(tái)前后支撐跨度將近6 m,車架的主變形主要是由車架自重及車上設(shè)備重力引起的彎曲變形,如圖6所示。

圖6 車架受力變形示意圖

圖6中F表示單個(gè)集中力,l、a、b分別表示前后支腿之間的跨距、集中力到前支腿的距離、集中力到后支腿的距離。設(shè)x表示車架上點(diǎn)距離前支腿的距離,δx表示車架撓度,那么根據(jù)材料力學(xué)簡(jiǎn)支梁力學(xué)公式可得:

(1)

(a≤x≤l)

(2)

(3)

(4)

由材料力學(xué)簡(jiǎn)支梁力學(xué)公式可取a=b,即載車中心承載位置位于載車對(duì)稱中心處。

2.2 承載底座的設(shè)計(jì)分析

由上節(jié)確定了中心承載位置為載車車架對(duì)稱中心處,由于光學(xué)系統(tǒng)重量完全作用于承載位置上,且光學(xué)系統(tǒng)底部轉(zhuǎn)動(dòng)軸承內(nèi)圈要求懸空,僅外圈與承載面接觸,而光學(xué)系統(tǒng)軸承外圈尺寸為內(nèi)徑1 900 mm、外徑2 100 mm,所以實(shí)際受壓部分僅為半徑差為100 mm的圓環(huán)面。為增加該圓環(huán)面受載后面型精度及承載部位的剛度,設(shè)計(jì)了如圖7所示的承載底座。該底座由三部分組成,由上到下依次為承載圓環(huán)、筋板、筋板墊。承載圓環(huán)可承受光學(xué)系統(tǒng)重量,筋板可增加底座的剛度,筋板墊與載車承載部分接觸可增加載車承載部分的受載面積。

圖7 承載底座結(jié)構(gòu)示意圖

為驗(yàn)證承載底座的可靠性,基于載車車架的一種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有無底座情況下的承載分析。一種情況直接將承載圓環(huán)面焊接在載車車架承載區(qū)域,另一種情況是將底座焊接在車架承載區(qū)域。建立兩種情況的有限元分析模型,并采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,分別分析兩種方案的靜立支撐狀態(tài)下的承載圓環(huán)的變形及面型精度。兩種情況下承載圓環(huán)變形如圖8、9所示。

圖8 無底座情況下承載圓環(huán)變形

導(dǎo)出承載圓環(huán)各點(diǎn)初始位置坐標(biāo)及變形后位置坐標(biāo),通過Matlab面型擬合程序?qū)A環(huán)面進(jìn)行擬合分析求得變形后面型參數(shù)。兩種方案的面型精度及剛性位移如表1所列。

表1 兩種方案的面型精度及剛性位移

對(duì)比可知,有底座情況相對(duì)于無底座情況RMS值減小了70%左右,PV值減小了80%左右,剛性位移則減小20%左右。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

由車載光學(xué)系統(tǒng)用途可知,載車有兩種工作情況。一種為光學(xué)系統(tǒng)運(yùn)輸狀態(tài)即載車被車頭拖動(dòng)狀態(tài),該狀態(tài)下光學(xué)系統(tǒng)不工作,所以該狀態(tài)下載車變形情況在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)即可。另一種工作情況則是光學(xué)系統(tǒng)工作狀態(tài)即載車靜止,由支撐柱支撐整車懸空,該情況下載車結(jié)構(gòu)不僅要滿足安全要求,還要滿足光學(xué)系統(tǒng)工作狀態(tài)要求即載車承載底座上承載圓環(huán)面型精度RMS滿足要求。由上所述,此次優(yōu)化針對(duì)結(jié)構(gòu)二對(duì)載車大梁和副梁截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),圖10、11為優(yōu)化過程中幾種型鋼的編號(hào)與截面圖形。

圖10 三種矩形鋼橫截面形狀

圖11 四種H型鋼橫截面形狀

通過組合各型鋼,得到八種不同的結(jié)構(gòu)方案,建立九種方案的有限元分析模型,九種方案各梁組合形式如表2所列。并采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,靜力學(xué)分析得出變形云圖,如圖12所示,并導(dǎo)出承載圓環(huán)變形數(shù)據(jù),通過Matlab面型擬合程序求出各方案承載圓環(huán)的面型精度,如表3所列。

表2 九種方案各梁組合形式

表3 九種方案分析結(jié)果

圖12 九種方案變形云圖

4 最終方案

通過上面的一系列分析,最終確定載車平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖13所示。大梁和副梁均選用截面寬×高為300 mm×300 mm且上下板及中間筋板均厚15 mm的H型鋼,中間橫梁均采用截面寬×高為150 mm×250 mm且壁厚均為10 mm的矩形鋼,車架由各梁焊接而成。承載底座放置在載車中心對(duì)稱部位,通過24根承載筋板加強(qiáng)底座Z向剛度,使承載圓環(huán)面足以承載光學(xué)系統(tǒng)重量,保證圓環(huán)面面型精度。

圖13 載車裝置結(jié)構(gòu)圖

分析結(jié)果表明,該載車平臺(tái)在光學(xué)系統(tǒng)靜止和工作狀態(tài)下完全滿足該光學(xué)系統(tǒng)的安全和使用要求。

5 結(jié) 語

文中針對(duì)車載光學(xué)系統(tǒng)的工作過程,設(shè)計(jì)了載車平臺(tái),外形尺寸為12 800 mm×3 000 mm×1 310 mm,質(zhì)量為12 071 kg。為了保證光學(xué)系統(tǒng)的安全性和載車平臺(tái)的實(shí)用性,對(duì)比分析了兩種主體框架的結(jié)構(gòu),然后設(shè)計(jì)優(yōu)化了九種方案下各梁的截面形狀,通過比較各方案的面型值選擇出最優(yōu)載車結(jié)構(gòu)方案。分析結(jié)果表明,該載車平臺(tái)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,可以為類似的結(jié)構(gòu)提供一定的指導(dǎo)。其結(jié)構(gòu)和安裝、使用方法對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)載車的設(shè)計(jì)具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義。