天線支座方位軸瞬態動力學分析*

文 廣，程 明，張學蓉，唐先春，蔣辛輝 李 航

(1.成都工業學院 智能制造學院，四川 成都 611730； 2.成都無線電專用設備廠(國營633廠)，四川 成都 611730)

0 引 言

方位軸是天線支座系統的重要組成部分，天線的方位調整功能主要依靠其來實現。在天線執行搜索功能時，方位軸會帶動軸上的零件做往復旋轉運動，在此過程中，方位軸主要承受周期性的扭轉載荷。由于動力不穩定、安裝存在誤差等原因，方位軸承受的扭轉載荷數值會隨時間發生變化。因此，分析方位軸在動載荷作用下的應力響應特性，對方位軸的結構設計而言十分必要。在過往的工程結構設計分析實踐中，存在著大量的瞬態特性分析案例。文獻[1]在考慮遲滯效應的前提下對某水泵水輪機進行了瞬態動力學分析。文獻[2]通過對某強夯機臂架進行靜態和瞬態動力學分析，發現了臂架折彎的真實原因。文獻[3]利用有限元軟件對某減速器輸出軸在沖擊載荷作用下的瞬態響應進行了分析。文獻[4]通過動力學仿真和瞬態動力學分析研究了某采煤機液壓拉桿在動載荷作用下的應力和變形。文獻[5]利用Ansys仿真平臺模擬了某復合刀具在加工過程中的受力變形，獲取了刀具的最大應力及部分關鍵點的徑向位移變化情況。文獻[6]以某深海高壓模擬裝置的壓力筒為研究對象，借助有限元瞬態動力學仿真模塊對其動態響應進行了分析，獲取了筒體的應力分布情況。文獻[7]通過建立某橋梁伸縮裝置的參數化模型，利用有限元軟件對其進行了瞬態動力學分析，得到了結構在不同車速和不同載荷下的應力響應情況。文獻[8]利用有限元瞬態分析技術對某托架在傳感器標定過程中的應力和變形響應進行了研究。文獻[9]則以某地鐵列車轉向架構架為對象，利用有限元軟件對其開展了瞬態動力學分析，找出了結構的薄弱環節。文獻[10]通過仿真分析手段對某液壓挖掘機的動臂和斗桿進行了瞬態動力學分析，獲得了結構的應力變化規律。從上述文獻分析來看，有限元仿真分析手段是對結構進行瞬態動力學研究的有效方法，并且得到了廣泛的應用。筆者利用有限元軟件Ansys的瞬態動力學分析模塊，對某天線支座方位軸在工作載荷作用下的瞬態響應進行研究，分析結果為該方位軸的結構優化提供了理論依據。

1 方位軸結構示意及受力狀況

方位軸是雷達天線支座的重要組成部分，主要用于調節確定雷達的方位。其結構示意如圖1所示，該方位軸為階梯軸，工作過程中主要承受電機啟動帶來的扭矩。該軸由Q345鋼制成，其材料特性參數如表1所示，該材料的屈服強度為345 MPa，進行強度校核時，引入安全系數1.34，則材料的許用應力為257 MPa。

圖1 方位軸結構示意圖

表1 Q345材料特性參數

2 方位軸瞬態動力學分析

2.1 建立方位軸有限元模型

分析之前，根據該方位軸的實際模型，在忽略軸肩處的倒角等結構后，利用有限元軟件Ansys建立其有限元模型。考慮到該方位軸形狀較為規則，采用Solid45單元來模擬該軸，選用掃掠網格劃分方式對其進行網格劃分，整軸被離散成23 968個單元，共有29 816個節點。本次建模采用參數化編程語言來實現，部分建模程序如下：

/prep7

ex=2.1e5

prxy=0.3

den=7.85e-6

et,1,solid45

mp,ex,1,ex

mp,nuxy,1,prxy

mp,dens,1,den

/prep7

csys,0

k,1,,,,

k,2,,,d12/2

k,3,,,d11/2

......

vrotat,all, , , , , ,1,14,360,8,

該方位軸有限元模型如圖2所示。

2.2 方位軸瞬態動力學分析結果

完成該方位軸的有限元模型后，根據方位軸的實際工作情況對其約束和加載。方位軸在工作過程中主要承受扭轉載荷，分析時，以在方位軸頂端施加均布力偶的形式來模擬方位軸承受的扭矩，通過約束其底面來模擬其他零件對其安裝面的約束，方位軸自身的重力則通過施加重力加速度來模擬。約束和加載后的有限元模型如圖3所示。

圖2 方位軸有限元模型 圖3 約束和加載后的方位軸有限元模型

文中主要分析方位軸在完成一個運動周期，即轉動一周過程中的瞬態響應。當方位軸的轉速為nrad/s時，方位軸轉動一周所需的時間為1/ns。以t=t0=0時刻為方位軸轉動的初始時刻，假設t=t1= 39/(80×n) 時，方位軸承受到一定數值的沖擊載荷(設沖擊載荷系數為x，靜態時，方位軸承受的扭矩大小為T0，則沖擊載荷大小T1=x×T0)。方位軸在1/ns內承受的動載荷隨時間變化的曲線如圖4所示。

圖4 方位軸承受的時間歷程載荷示意圖

此次瞬態動力學分析采用完全法，考察方位軸軸肩部位關鍵點(如圖1所示)的瞬態響應，分析結束后，提取軸肩部位關鍵點(分析點)的應力隨時間變化的曲線。為了更加全面地研究該方位軸的動態特性，文中考察了不同沖擊載荷大小和不同轉速下的方位軸瞬態響應變化情況。

(1) 不同沖擊載荷大小下的方位軸瞬態動力學分析結果

沖擊載荷的大小通過改變沖擊載荷系數來獲得，本文分析了沖擊載荷系數x分別為1.4、1.6、1.8，轉速n=2時，方位軸的瞬態響應。圖5～7分別給出了沖擊載荷系數x分別為1.4、1.6、1.8時，各分析點的應力隨時間變化曲線。

圖5 關鍵點的應力隨時間變化曲線(x=1.4)

從圖5(a)可以看出，在該方位軸的分析點P1處，其應力-時間曲線出現了兩個較大的峰值，分別位于t=0.02 s和t=0.256 25 s時刻，分別對應加載的初始時刻和沖擊載荷離開的時刻。從圖5(b)～(e)可以看出，在分析點P2、P3、P4、P5處，其應力響應曲線也出現了兩個較大峰值，這兩個峰值同樣位于加載的初始時刻和沖擊載荷離開的時刻。從圖5(f)可以看出，在該方位軸的分析點P6處，其應力響應曲線的峰值較多，第一個峰值出現在加載的初始時刻，第二個較大的峰值出現的時刻與沖擊載荷離開的時刻相比，稍微有點滯后，滯后的時間非常短暫，基本上可以忽略不計。總體來看，圖5反映出的六個分析點的應力響應曲線均出現了兩個較大的峰值，均出現在載荷突變的時刻，這是由于載荷突變時，產生的沖擊效應所致。另外，從圖5也可以看出，上述六個分析點中，分析點P2的應力最大，其最大值約為14 MPa，遠小于材料的許用應力，可以認為，當沖擊載荷系數為1.4時，該方位軸的強度能夠滿足使用要求。

從圖6(a)～(e)可以看出，當沖擊載荷系數為1.6時，在分析點P1、P2、P3、P4、P5處，其應力響應曲線也出現了兩個較大的峰值，分別出現在加載的初始時刻和沖擊載荷離開的時刻。從圖6(f)可以看出，當沖擊載荷系數為1.6時，在分析點P6處，其應力響應曲線的峰值較多，第一個峰值出現在加載的初始時刻，第二個較大的峰值出現的時刻略微滯后于沖擊載荷離開的時刻。

圖6 分析點的應力隨時間變化曲線(x=1.6)

從圖6也可以看出，當沖擊載荷為1.6時，各分析點的應力響應曲線表現出的規律和沖擊載荷為1.4時的情況一致。另外，當沖擊載荷系數為1.6時，應力最大值也出現在分析點P2處，因此，后續分析也只圍繞分析點P2展開。

從圖7可以看出，當沖擊載荷系數為1.8時，分析點P2的應力響應曲線中的兩個較大峰值也位于加載的初始時刻和沖擊載荷離開的時刻，曲線表現規律和圖6、圖7相同。從圖7、圖5(b)、圖6(b)對比可以看出，隨著沖擊載荷系數的增加，即沖擊載荷的增大，分析點P2處的最大應力值也會增加，但是，其最大值均未超過材料的許用應力，因此，可以認為在當前沖擊載荷工況下，材料的強度能夠滿足使用要求。

圖7 分析點P2的應力隨時間變化曲線(x=1.8)

(2) 不同轉速下的方位軸瞬態動力學分析結果

文中分析了轉速n分別為1和2，沖擊載荷系數x為1.4時，方位軸的瞬態響應情況。圖8給出了轉速n為1時，分析點的應力變化曲線，轉速n為2時，分析點的應力變化曲線如圖5所示。

從圖8可以看出，當方位軸的轉速n=1時，各分析點的應力響應曲線中的兩個較大峰值出現在了t=0.02 s和t=0.5125 s時刻，即在加載的初始時候和沖擊載荷離開的時候，各分析點的應力響應曲線出現了較大的峰值。與圖5相比，各分析點的應力最大值均有所增加。從圖中也可以看出，當轉速n=1時，方位軸各分析點的應力最大值出現在P2處，該值接近16 MPa，未超過材料的許用應力，強度也滿足使用要求。

圖8 分析點的應力隨時間變化曲線(n=1)

3 結 論

利用有限元軟件ANSYS對某天線支座方位軸進行了瞬態動力學分析，考察了方位軸在不同沖擊載荷大小和轉速下的瞬態響應。通過研究得出如下主要結論。

(1) 在瞬態載荷作用下，由于載荷的沖擊效應，該方位軸的應力值會隨時間發生變化，其較大峰值出現在加載的初始時刻和沖擊載荷離開的時刻。

(2) 根據本文分析的載荷和轉速工況，隨著沖擊載荷的增大，方位軸的最大應力值也會增加，當方位軸的轉速從2 rad/s降為1 rad/s時，方位軸上各分析點的最大應力值會變大。