車載光電穩定平臺外框架優化設計

劉長順，王 兵，陳兆兵

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033;2.中國科學院 研究生院，北京100039)

1 引言

穩定平臺在飛機、艦艇、車輛、導彈、衛星等許多領域具有極其廣泛的應用，它主要涉及目標的捕獲、跟蹤與瞄準等功能的實現。在慣性系統中，穩定平臺為加速度計提供姿態基準，為外架設備提供穩定的承載平臺。因此，如何通過合理的設計使平臺滿足系統的使用要求已成為當前工程應用中最關心的問題之一［1-6］。

外架設備是平臺系統的服務對象，與外框架相連的2套軸系精度決定了整個系統的精度，因此外框架的結構變形對平臺整體精度與穩定性具有重要影響。在車載動態使用環境條件下，光電系統對穩定平臺系統要求十分嚴格，穩定平臺結構剛度須滿足承載要求高、設備尺寸大、有動載荷等要求。系統采用的是框架結構形式，外框架通過縱搖軸系與兩個立柱連接，立柱固定在基座上;同時通過橫搖軸系與內框架連接，內框架為外架設備提供安裝位置。這種框架結構形式決定了外框架在系統中受到的力最為復雜，因此對外框架進行設計優化十分必要。

針對當前穩定平臺設計普遍存在結構笨重、回轉慣量大，外框架在系統中受力復雜等問題，本文分析了外框架材料的選擇及結構形式，通過軟件建模對外框架進行了優化設計，最后通過仿真或試驗等手段驗證了優化設計［7-11］的可行性。

2 外框架結構設計

整個平臺系統采用的框架結構如圖1所示，這種結構形式簡單，易實現平臺臺面(即內框架)穩定，是較為常用的結構。外框架結構通過橫搖軸系和縱搖軸系實現運動。

圖1 穩定平臺結構示意圖Fig.1 Schematic drawing of stable platform structure

圖2 外框架結構圖(54 kg)Fig.2 Drawing of frame structure(54 kg)

圖3 外框架結構優化圖(73.4 kg)Fig.3 Optimization drawing of framework structure(73.4 kg)

圖4 外框架輕量化結構圖(48.1 kg)Fig.4 Drawing of lightweight framework structure(48.1 kg)

外框架上相互正交的2個軸系構成了整個系統的縱搖和橫搖擺動。由于其在精度、剛度等方面對系統的貢獻和影響最大，因此需要對外框架的結構形式進行優化設計。在設計中采用圖2～圖4所示的3種基本結構形式。3種基本結構的幾何特性與物理特性不同，考慮到結構的轉動慣量以及結構的裝調方便，認為圖3所示的結構較為合理，因此對圖3的外形結構進行了輕量化處理。與原結構相比，圖4所示結構的輕量化率為52%，比圖2結構的重量減少了12%。

3 有限元模型建立

為了對優化后的結構強度與剛度進行校核，需要進行有限元分析。采用UG軟件建立外框架結構的三維實體模型，然后利用PATRAN軟件對模型進行前處理，采用NASTRAN軟件計算分析結果。在模型建立過程中，為了減小模型的計算量，對不影響模型主體結構性能的小結構，入小孔、倒角等特征進行了簡化處理。

3.1 網格劃分

為了保證該外框架結構的有限元模型網格具有良好的協調性，在網格劃分中需要保證各網格單元尺寸控制在一定精度內。本結構的網格劃分采用了10節點性質的四面體實體單元模型。對大部分規則區域進行自動劃分，某些對模型構成關鍵影響的小結構體則采用手工劃分的方式，從而能夠在保證網格劃分工作量不大的情況下滿足局部的高精度要求。整個框架共劃分為3 659個單元，7 657個節點，有限元模型見圖5。

圖5 外框架的有限元模型Fig.5 Finite element model of framework

3.2 材料選擇與工況設置

在材料選擇方面，主要考慮以下兩方面：

(1)材料剛度與強度的選擇。考慮到結構的大承載能力及輕量化設計要求，對在車載動載荷條件下的結構強度設計，要盡量選擇比剛度和比強度大的材料;

(2)系統材料匹配問題。外框架、內框架、立柱與基座所構成的兩套軸系決定了整個系統的精度。由于系統結構外形尺寸大(1 300 mm ×1 100 mm×800 mm)，在環境溫度變化較大的情況下，不同材料因線膨脹系數的不同會產生不同的伸縮量，從而在系統內部產生應力，影響精度與結構穩定性。因此，設計時應保證外框架的材料與基座、內框架、基座在熱膨脹系數方面相近或一致。

依據以上要求并結合以往設計經驗，對材料進行粗選，表1列出了ZL104、HT250、ZG310-570、新型鑄鋁材料AlSi20RE的主要性能。

表1 各材料性能表Tab．1 Performance list of each material

對比以往設計所采用的鑄鋁、鑄鐵等材料［12］，AlSi20RE具有明顯的性能優點，如比剛度和比強度高、應力低、表面光潔、消振性能好、加工性能好等;另外，該材料具有良好的流動性，可鑄成薄壁結構和形狀復雜的零件。經過綜合對比，選用AlSi20RE新型鑄造鋁合金作為外框架材料。

為了有效仿真該平臺外框架的實際工作環境，需要對該結構進行工況設置，本結構裝配后可以認為是單一的剛體結構，工作時僅有兩個軸框與其他結構接觸。為了簡化運算，設置軸框四周的接觸力為均布力，且假設兩個軸框的受力一致，均為該結構重力的一半，設為53 N。將設置好的有限元模型提交至NASTRAN軟件，可以得到靜力狀態下結構的應力、應變量和模態狀態下的諧振頻率值。

4 模型分析與結果探討

圖6、圖7分別為該結構經過MSC軟件分析后的整體結構應變圖和模態結果圖。在分析過程中分別對結構進行靜力學變形分析和動力學模態分析，分析的條件和工況相同。

圖6 靜力學變形分析圖Fig.6 Diagram of statical deformation analysis

圖7 動力學模態分析圖Fig.7 Diagram of dynamical modal analysis

由動力學模態分析結果可知，該結構的一階模態剛度可達到97.4 Hz，完全能夠避開車載時的共振頻率(該結構為車載系統，正常工作時油機的振動頻率為-50 Hz，可以認為它是該結構的固有共振頻率);由靜力學變形分析可知，該結構的最大應變為2.6 μm，各項指標均滿足設計要求，驗證了該結構優化的有效性和可行性。

5 結論

對車載穩定平臺的外框架結構進行了結構優化，采用UG軟件對該結構進行了三維建模，采用MSC.PATRAN有限元前處理軟件對結構模型進行了工況設置，采用MSC.NASTRAN有限元后處理軟件對模型進行了仿真分析。結果顯示：本文所選擇的外框架結構能夠在滿足剛度、強度要求的前提下實現較小的轉動慣量設計要求，靜力狀態下的最大變形量為2.6 μm，表明這種優化設計是合理可行的。

［1］ 魏穎，張波，李麗，等.基于體系結構的軟件可靠性評估［J］.光學 精密工程，2010，18(2)：485-490.WEI Y，ZHANG B，LI L，et al..Architecture-based software reliability evaluation［J］.Opt．Precision Eng．，2010，18(2)：485-490.(in Chinese)

［2］ 胡新寧，王厚生，王暉，等.超導轉子旋轉驅動裝置的設計［J］.光學 精密工程，2010，18(1)：169-174.HU X N，WANG H S，WANG H，et al..Design of drive device for spinning superconducting rotors［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(1)：169-174.(in Chinese)

［3］ 鄭猛，馮其波，邵雙運，等.CR掃描儀激光掃描光學系統的設計［J］.光學 精密工程，2010，18(1)：21-27.ZHENG M，FENG Q B，SHAO SH Y，et al..Design of laser scanning optical systems for computed radiography［J］.Opt．，2010，18(1)：21-27.(in Chinese)

［4］ 李曉韜.應用慣性沖擊原理的非對稱夾持式壓電旋轉驅動器的實驗研究［J］.光學 精密工程，2010，18(1)：156-161.LI X T.Design of asymmetrical rotated piezoelectric actuators based on impact driving principle［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(1)：156-161.(in Chinese)

［5］ 陳旭，劉偉奇，康玉思，等.非球面補償器的結構設計與裝調［J］.光學 精密工程，2010，18(1)：88-93.CHEN X，LIU W Q，KANG Y S，et al..Design and tolerance analysis of offner compensator［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(1)：88-93.(in Chinese)

［6］ 李琳，楊勇.空間曲線切口式柔性鉸的設計［J］.光學 精密工程，2010，18(10)：2192-2198.LI L，YANG Y.Design of flexure hinges with space curve notches［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(10)：2192-2198.(in Chinese)

［7］ 龔雨兵，楊世模，陳志遠.長縫光譜儀主結構的穩健優化設計［J］.光學 精密工程，2009，17(11)：2638-2645.GONG Y B，YANG SH M，CHEN ZH Y.Robust optimization design of primary structures of long slit spectrometers［J］.Opt．Precision Eng.，2009，17(11)：2638-2645.(in Chinese)

［8］ 韓旭，馬軍，居波，等.三線陣測繪相機熱光學試驗交會角測試系統［J］.光學 精密工程，2009，17(12)：2959-2965.HAN X，MA J，JU B，et al..Measuring system of space intersection angle for three-line mapping camera in thermal-optical test［J］.Opt．Precision Eng．，2009，17(12)：2959-2965.(in Chinese)

［9］ 韓旭，吳清文，董得義，等.室溫硫化膠層建模在透鏡結構分析中的應用［J］.光學 精密工程，2010，18(1)：118-125.HAN X，WU Q W，DONG D Y，et al..Application of RTV adhesive modeling to structure analysis of reflective mirror［J］.Opt．Precision Eng．，2010，18(1)：118-125.(in Chinese)

［10］劉強，房建成，韓邦成，等.磁懸浮飛輪鎖緊裝置及其優化設計［J］.光學 精密工程，2010，18(8)：1814-1821.LIU Q，FANG J CH，HAN B CH，et al..Locking device for magnetic bearing flywheel and its optimization［J］.Opt．Precision Eng.，2010，18(8)：1814-1821.(in Chinese)

［11］ 楊洪濤，賈繼強.機載光電平臺內框架剛度及模態有限元分析［J］.計算機仿真，2005，22(11)：311-314.YANG H T，JIA J Q.Finite element modality and stiffness analysis of airborne electro-optical platform inner-ginbal［J］.Computer Simulation，2005，22(11)：311-314.(in Chinese)

［12］ AWAD A N.Investigate the parameters effect on thermogravimetry analysis(TGA)performance for SOx additive in FCC units［J］.J．Environmental Sci．Eng.，2010，4(10)：44-50.