激光通信用車載桅桿設(shè)計(jì)

孟立新，南世君，史健碩

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

當(dāng)今的高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中，一切運(yùn)動(dòng)的武器平臺(tái)，如坦克、步兵戰(zhàn)車、偵察車、自行火炮、武裝直升機(jī)、偵察直升機(jī)、艦船等都必須有相應(yīng)的高效通信系統(tǒng)。大氣激光通信具有通信容量大、機(jī)動(dòng)性好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，信息不易被截獲，甚至在原子輻射情況下也能正常工作的優(yōu)點(diǎn)。在地面進(jìn)行激光通信，要求通信站點(diǎn)間能夠通視，因此需要將通信光端機(jī)架設(shè)在高處——桅桿上，以克服地表建筑、植被對(duì)通信的遮擋，提高通視性，達(dá)到順利通信。

本文對(duì)桅桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用ANSYS分析其動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其受風(fēng)載荷力進(jìn)行分析，最后在真實(shí)環(huán)境做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在滿足桅桿和光端機(jī)技術(shù)指標(biāo)的前提下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 非正常工作狀態(tài)時(shí)，桅桿收藏圖Fig.1 The diagram of mast collection when non-normal working condition

1 桅桿總體設(shè)計(jì)

在非工作狀態(tài)時(shí)，桅桿通過旋轉(zhuǎn)軸和緊固機(jī)構(gòu)平放并固定在工程車上，如圖 1所示；準(zhǔn)備工作時(shí)，采用電機(jī)或人通過轉(zhuǎn)動(dòng)絞盤牽引鋼絲繩索運(yùn)動(dòng)，使桅桿繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，到達(dá)工作位置后，用鎖緊機(jī)構(gòu)使桅桿豎直并固定，如圖2所示。

1.1 車載桅桿及光端機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

(1)桅桿：

高度：12m(含載車高4m)；

重量：＜60Kg。

(2)光端機(jī)：

圖2 正常工作狀態(tài)時(shí)，桅桿架設(shè)圖Fig.2 The diagram of mast erection when normal working condition

1.2 桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的桅桿是在已有的通信車上使用，考慮到安裝方便、固定牢固、負(fù)載輕等問題，決定采用三角形框架結(jié)構(gòu)形式[1]，材料用45#，周圍鋼管與主鋼管排“人”字型焊接[2]。結(jié)構(gòu)形式圖如圖3所示。

此設(shè)計(jì)在軸上還安裝了一排作用力與桅桿和負(fù)載重力方向相反的彈簧機(jī)構(gòu)-扭簧，使其一邊與車體固定，另一邊與桅桿軸向垂直緊貼，這樣當(dāng)桅桿隨軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，扭簧產(chǎn)生反力，使其達(dá)到力矩平衡，減小了牽引力。扭簧結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 桅桿結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The diagram of mast structure

圖4 扭簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 The diagram of twist spring structure

1.3 桅桿模態(tài)分析

在大慣量功率系統(tǒng)中，都幾乎共同面臨著一個(gè)結(jié)構(gòu)諧振問題。桅桿的結(jié)構(gòu)諧振主要是由桅桿的柔性與大負(fù)載慣量引起的，它有一定的諧振頻率，如果這一諧振頻率接近伺服系統(tǒng)頻寬，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到威脅。因此，常將桅桿機(jī)械部分的固有頻率設(shè)計(jì)成為驅(qū)動(dòng)部分固有頻率的5~8倍以上，所以要進(jìn)行桅桿的模態(tài)分析，如圖5所示是桅桿前6階模態(tài)分析結(jié)果。

圖5 桅桿前6階模態(tài)分析圖Fig.5 The diagram of modal analysis of mast for the 6 steps

前6階模態(tài)圖譜如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)前6階模態(tài)分析結(jié)果圖Fig.6 The diagram of modal analysis result of system for the 6 steps

通過模態(tài)分析，桅桿最低頻率為9Hz，高于控制帶寬設(shè)計(jì)要求。

1.4 桅桿結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析

桅桿結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)的位移和加速度如圖7、8所示。

分析以上兩圖，得出它們共同的諧振頻率約為100Hz，所以設(shè)計(jì)和使用時(shí)應(yīng)避開這個(gè)頻率，以克服共振、疲勞，以及受迫振動(dòng)引起的有害效果。

圖7 位移諧響應(yīng)圖Fig.7 The diagram of displacement harmony response

圖8 加速度諧響應(yīng)圖Fig.8 The diagram of acceleration harmony response

1.5 桅桿受力分析

桅桿工作時(shí)所受外力主要有負(fù)載壓力和風(fēng)載荷，由于風(fēng)載荷是高聳結(jié)構(gòu)的主要載荷，所以風(fēng)載荷是影響桅桿晃動(dòng)的主要因素。

風(fēng)載荷計(jì)算公式為[3]：

(1)風(fēng)力系數(shù)C

風(fēng)力系數(shù)與結(jié)構(gòu)物的體型、尺寸等有關(guān)，對(duì)于圓管制成的框架結(jié)構(gòu)C=1.3。

式中：q—計(jì)算風(fēng)壓，單位 N/m2；V—計(jì)算風(fēng)速，單位m/s

(3)計(jì)算風(fēng)壓q

風(fēng)壓與空氣密度和風(fēng)速有關(guān)，按下式計(jì)算：

(4)迎風(fēng)面積A

結(jié)構(gòu)與其上物品的迎風(fēng)面積按最不利迎風(fēng)方位

圖9 桅桿變形仿真分析圖Fig.9 The diagram of mast distortionsimulation analysis

計(jì)算并取垂直于風(fēng)向平面上的投影面積。

經(jīng)計(jì)算桅桿所受風(fēng)載荷為：1.12×2N，按五級(jí)風(fēng)計(jì)算，風(fēng)速為8.0～13.8m/s，風(fēng)載荷約為213N。

將上述計(jì)算出的風(fēng)載荷213N看作分布力均勻施加在桅桿垂直表面上，如圖9所示。經(jīng)過變形仿真分析，計(jì)算出最大變形為4.83mm，此位移很小，符合系統(tǒng)要求。

2 桅桿外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于載體振動(dòng)強(qiáng)烈的環(huán)境，穩(wěn)定誤差是光端機(jī)跟蹤誤差的主要來源之一，通信光端機(jī)所承受的振動(dòng)主要由兩部分組成，一是儀載車在怠速情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的定頻振動(dòng)，這部分振動(dòng)通過桅桿傳遞到光端機(jī)上，經(jīng)過對(duì)桅桿振動(dòng)模態(tài)分析和實(shí)際振動(dòng)測(cè)試，經(jīng)過桅桿衰減后，傳遞到光端機(jī)上的振動(dòng)十分微弱，可以忽略不計(jì)；另一個(gè)是風(fēng)載荷引起的低頻大幅值搖擺振動(dòng)，這種搖擺振動(dòng)對(duì)光端機(jī)的影響較強(qiáng)烈。

本設(shè)計(jì)為了檢測(cè)桅桿在真實(shí)工作環(huán)境中的性能，進(jìn)行了原理樣機(jī)室外演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于目前只有一臺(tái)儀載車，因此將其中一個(gè)光端機(jī)架設(shè)在室內(nèi)，另一臺(tái)架設(shè)在桅桿上，圖10為野外實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖10 野外實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.10 The diagram of field experiment

當(dāng)桅桿處于工作狀態(tài)后，首先利用 GPS測(cè)得雙方的距離，其次用風(fēng)速計(jì)測(cè)量環(huán)境風(fēng)速，再用振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)量桅桿頂端即光端機(jī)安裝座處的振動(dòng)情況[4]，最后利用誤碼儀測(cè)量通信雙方的誤碼率，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和測(cè)量，對(duì)光端機(jī)的跟蹤精度和通信誤碼率進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理，得到光端機(jī)的性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)條件歸納如表1。

表1 野外動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)條件及跟蹤精度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The statistics table of the wild dynamic experiment conditions and tracking precision

兩次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的桅桿振動(dòng)特性見圖11、12。

圖11 實(shí)驗(yàn)一時(shí)桅桿振動(dòng)特性圖Fig.11 The diagram of mast vibration peculiarity when experiment 1

圖12 實(shí)驗(yàn)二時(shí)桅桿振動(dòng)特性圖Fig.12 The diagram of mast vibration peculiarity when experiment 2

兩次實(shí)驗(yàn)桅桿擺動(dòng)特性見圖13、14。

圖13 實(shí)驗(yàn)一時(shí)桅桿擺動(dòng)特性圖Fig.13 The diagram of mast swing peculiarity for experiment 1

圖14 實(shí)驗(yàn)二時(shí)桅桿擺動(dòng)特性圖Fig.14 The diagram of mast swing peculiarity for experiment 2

兩次實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)跟蹤誤差曲線見圖15、16。

圖15 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)一跟蹤誤差曲線圖Fig.15 The diagram of tracking error curve for field experiment 1

圖16 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)二跟蹤誤差曲線圖Fig.16 The diagram of tracking error curve for field experiment 2

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到表 2所示測(cè)試結(jié)果。

表2 野外動(dòng)態(tài)跟蹤精度測(cè)量數(shù)據(jù)Tap.2 The measurement date of the wild dynamic tracing accuracy

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在不同風(fēng)速、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)條件下，跟蹤誤差滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)桅桿的可行性。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)激光通信用車載桅桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力計(jì)算和有限元分析，并進(jìn)行室外實(shí)驗(yàn)，在獲得了在特定環(huán)境下的性能參數(shù)下，實(shí)踐證明此桅桿是可行的。

[1]王肇民.桅桿結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[2]T.R.格爾內(nèi).焊接結(jié)構(gòu)的疲勞[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3]何慶林.桅桿計(jì)算中幾個(gè)因素的綜合分析[J].艦船工程研究，1997(1)：20-24.

[4]鄧洪洲，屠海明，王肇民.桅桿結(jié)構(gòu)隨機(jī)風(fēng)振疲勞研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，36(4)：21-22.