动态扫描系统高塔安装可行性分析

2014-04-01江良剑熊善泉焦海松

机械制造与自动化 2014年5期

江良剑，熊善泉，焦海松

(中国洛阳电子装备试验中心，河南洛阳 471003)

0 引言

为进行某对抗装备的地面试验，需将炮弹安装在扫描系统上，并置于高塔上，实现对地面一定区域方位的俯仰扫描。试验时确保扫描角度和转速具有较高的稳定性，对抗系统在动态情况下扫描、目标识别和攻击行为的前提条件。场区高塔外围设有环形工作平台，可满足对地通视要求。但扫描系统直接放置到环形工作平台上，单位面积的压力大大超出了塔体的承重能力，需要设计一个带升降机构的安装支座。为确保试验的安全性和可靠性，在设计过程中采用ANSYS 软件作为辅助工具，对支座和扫描系统进行强度分析计算，得出了极限位移值和应力值，为试验顺利进行提供了可靠的依据。

1 安装结构的有限元分析

1.1 建立几何模型

扫描系统选用材料为铝合金，密度为2.77e－6kg/mm3，屈服力为280 MPa，杨氏模量为71 000 MPa，泊松比为0.33。几何模型的建立通过Auto CAD 三维建模完成，然后实体模型通过ANSYS 的CAD 接口功能导入［1］。根据扫描系统的外形尺寸和技术指标，在建立CAD 模型的时候将扫描系统的一些内部小结构作为整个结构的一部分，着重考虑内环、外环以及支撑结构的力学特征。安装支座采用强度比较高的型钢制作，一端穿过窗户紧固在塔墙上，另一端加持在护栏上，以避免安装使用膨胀螺钉对塔体造成损坏。图1 为扫描系统及升降机构的计算模型。

图1 扫描系统及升降机构的计算模型

模型建好后，对其进行网格划分，生成有限单元网格，为施加边界条件、施加荷载和求解做好准备。

1.2 边界条件及荷载施加

定义垂直于内环轴的水平方向为x 方向，扫描系统的高度方向为y 方向，内环的轴方向为z 方向。一般情况下，杆件端部约束情况比较复杂，在进行力学模型简化时，一定要符合理论逻辑，列出符合实际约束情况的边界条件［2］。考虑到实际的工程要求和节点受力状态，本文采用简化模型来模拟真实结构，在人字柱和斜腿柱的底面，约束全部自由度，实现柱脚的刚接。

线性静力结构分析是分析结构在给定静力载荷作用下的响应，可以得到结构的位移、应力、应变等。通用的运动方程如式(1)［3］:

式中:［M］是质量矩阵，［C］是阻尼矩阵，［K］是刚度系数矩阵，{x}是位移矢量，{F}是力矢量。

分两个荷载步施加荷载，第一个荷载步为炮弹的重力;第二荷载步为炮弹旋转时候的离心力。炮弹的质量一般是固定的，对整体是一个向下的力，不会引起扫描系统的偏移及振动。炮弹旋转时候的离心力跟炮弹的质量、旋转速度和炮弹的位置有关。为简化模型，假设炮弹的质量是均匀分布、结构对称的圆柱。离心力的计算公式为:F=Mω2R，从公式当中可以看出当转速越快，炮弹质心离中心越远，离心力就越大。为保证试验的精度，选取炮弹质量最大，转速最快，炮弹质心离中心最远进行计算，扫描系统安装的精度要求高于这种极端情况。

1.3 分析结果

图2 为此安装方案在扫描系统转动时的扫描系统及升降机构发生的应力云图和应变云图，从图中可以看出来，扫描系统正常转速情况下，升降结构支架和扫描系统发生的应力和应变很小。扫描系统和升降机构连接固定的地方，安装支座会受到较大的应力和应变。应力的最大值14.125 MPa，一般铝合金和钢材的屈服强度为280 MPa，所以符合材料安全性的要求。由于在扫描系统转动的时候，扫描系统底盘部分会来回受力并发生应变，故需要将扫描系统底盘连接处的铝合金或者钢板加厚。

图2 应力和应变云图

当模拟系统转动的时候，会给安装支座的固定部分施加一定的力。图3、图4 和图5 为某时刻窗户、护栏和地面对安装支座施加力的情况。表1 是这三个部分所受力的最大的具体值。

图3 窗户支架所受到的力

图4 护栏支架所受到的力

图5 支座底部所受到的力

表1 安装支座最大受力情况

窗户、护栏支撑和基座支撑结构所受到的力会反作用于窗户、护栏和环形工作平台地面。窗户受到在x 方向的力比较大为520 N，所以窗户支撑结构还必须紧紧的固定在窗户台上面。窗户支撑受到的力为693.95 N，护栏受到的力为3 136.7 N，环形工作平台地面受到的力为6 624.5 N。这几个力主要的受力方向为y 方向，在进行方案设计的时候需要考虑它们所受力的安全性。在不影响使用的情况之下，基座的面积尽量做得比较大一些。

2 形变对扫描范围的影响分析

为保证试验的精度，需要考虑在扫描系统转动的时候，形变引起的扫描偏移必须满足规定的要求，如图6。当扫描系统内环有一个在x 方向有一小的偏移的时候，模拟中心也会发生偏移，指标要求偏移量小于3 m，可以求出扫描系统内环允许的最大偏移量L。根据几何关系，由于偏移量L 很小，可以利用以式(2)求的L 的数值。