一種動中通天線減震系統(tǒng)的研究*

李玉龍

(西安克拉克通信科技有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

動中通天線作為裝甲車通信的重要手段，是裝甲車必不可少的組成部分。裝甲車需要在復雜道路上行駛，會產生強烈的振動，此時動中通天線會承受各個方向的隨機振動，要保證動中通天線正常工作，不受損壞，天線的減震系統(tǒng)會起到非常重要的緩沖作用。鋼絲繩減震器，具有環(huán)境適應性強、抗振動效果好、使用壽命長等優(yōu)點。

筆者研究的是一種M113裝甲車上動中通天線減震系統(tǒng)在窄帶隨機振動條件下的響應。以重量為52 kg動中通天線設備為基礎，研究鋼絲繩直徑對緩沖效果的影響，最后通過理論計算、Pro/E建模、Ansys振動仿真、振動試驗驗證結果。

1 裝甲車動中通天線減震系統(tǒng)結構組成以及模型建立

裝甲車動中通天線系統(tǒng)(見圖1)由動中通天線、減震系統(tǒng)、固定底板組成。減震系統(tǒng)由4個減震器單元組成。

1.1 振動條件和減震系統(tǒng)分析

文中研究的動中通天線在寬帶隨機振動環(huán)境中，振動條件為：Table-514.4 AXVII[1]，頻譜中隨機振動的頻率為24～500 Hz。為了避免動中通天線發(fā)生共振，減震系統(tǒng)起到良好的緩沖作用，設備的固有頻率[2]應滿足下列公式:

(1)

式中：f0為固有頻率；f為振動頻率；計算得到系統(tǒng)的固有頻率應滿足f0≤16.97 Hz。

1.2 Pro/E減震系統(tǒng)的建模與Ansys振動仿真

1.2.1 減震器固有頻率的仿真與剛度計算

首先對某廠家特定型號減震器進行分析，減震器鋼絲繩直徑為7 mm，繞制圈數(shù)為8圈，高度為71 mm。模型利用Pro/E建模后，Ansys對模型進行網格劃分，網格劃分精度選擇0.05，進行單元質量檢查，單元邊界條件設置底部為固定支撐，然后對材料進行賦值[3-5]，鋼絲的材料楊氏模量為2.1×105GPa，泊松比設置為0.269。對模型重新進行模態(tài)分析(見圖2)，得到固有頻率f0為52 Hz，仿真得到減震器固有頻率在隨機振動條件頻率(24～500 Hz)范圍內，會產生共振，不符合要求。

通過Pro/E改變鋼絲繩直徑，重新建模，Ansys對模型重新進行模態(tài)分析(見圖3)，得到固有頻率f0為16.79 Hz≤16.97 Hz，頻率滿足要求，此時鋼絲繩直徑為5.5 mm。利用公式[6]：

K=m(2πf0)2

(2)

式中：f0為固有頻率；K為減震器剛度；m為設備重量；得到減震器的剛度為K=590 000 N/M。

1.2.2 自由變形量、最大振幅仿真與隔振效率計算

動中通天線系統(tǒng)在自由狀態(tài)下，根據(jù)Ansys輸出減震器的變形量云圖(見圖4)，得到最大變形量為4.57 mm。動中通天線系統(tǒng)在隨機振動條件下，根據(jù)Ansys輸出動中通天線系統(tǒng)的最大振幅圖(見圖5)，得到最大振幅為0.465 mm 。

振動傳遞效率T是在激勵作用下設備最大振幅X與自由狀態(tài)時變形量s的比值：

(3)

隔振效率：

η=1-T

(4)

根據(jù)公式(3)、(4)計算可得到減震器的隔振效率為89.8%。

1.2.3 減震器的應力仿真

進行隨機振動分析， 根據(jù)Ansys輸出最大振幅的應力云圖(見圖6)，得到最大應力為1 104.9 MPa。

圖6 最大振幅的應力云圖

理論應力計算公式為：

(5)

式中：P為瞬時最大載荷；A為受力面積；得到理論最大應力為σ=1 038.9 MPa。

2 樣品試驗

2.1 進行試驗與記錄

利用仿真結果，生產出鋼絲繩減震器，鋼絲繩直徑為5.5 mm，繞制圈數(shù)為8圈，高度為71 mm。將設備安裝在試驗臺上，在振動臺上設置1個控制加速度傳感器，分別在底板和動中通天線系統(tǒng)設備上2個監(jiān)測加速器傳感器(如圖7)，完成試驗準備工作后，分別按照振動條件對產品的橫軸、縱軸、垂直軸進行振動試驗，每個軸有6種條件，依次對每個條件進行45 min振動試驗。

圖7 振動試驗實物圖

經過兩天振動試驗，減震系統(tǒng)完成了18種振動條件下的振動試驗。振動試驗完成后進行檢查，動中通天線設備上未發(fā)現(xiàn)螺釘松動，未發(fā)現(xiàn)零件損失、失效等情況。并記錄隨機振動條件下的試驗數(shù)據(jù)，如表1所列。隔振效率的另一種計算方法為：

表1 隨機振動條件下加速度響應記錄表

(6)

式中：G1為控制加速度；G2為設備監(jiān)測加速度。

由試驗結果可知，在垂直軸方向振動試驗，VO6條件下的控制加速度值最大；在橫軸和縱軸方向振動試驗，TO5和LO5條件下的控制加速度值最大，但是此值遠遠小于在VO6條件下的控制加速度。下面附圖說明在VO6條件下的加速度響應曲線(見圖8)。

圖8 在VO6條件下加速度響應曲線

2.2 試驗結果與仿真結果對比

通過試驗記錄表1看到，在VO2條件下，減震器的隔振效率最低為91.35%，此時設備的振幅最大。在LO4條件下，減震器的隔振效率最高為99.99%。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，說明減震器起到了良好的緩沖作用[7-8]。下面對試驗結果和仿真結果進行對比分析(見表2)。

表2 仿真與試驗結果對比

仿真與試驗固有頻率的誤差在15%以內，隔振效率在5%以內，試驗結果和仿真結果基本一樣，驗證了軟件仿真的可行性[9]。

3 結 論

通過上述分析研究，得到以下結論。

(1) 基于通用建模軟件Pro/E進行建模并使用有限元分析軟件Ansys對試驗振動進行仿真模擬，仿真結果和試驗數(shù)據(jù)基本一樣，表明了Ansys模擬振動特性在實際運用是可行性的。

(2) 通過改變鋼絲繩直徑來改變減震系統(tǒng)的剛度，因而改變鋼絲繩的固有頻率，避開共振區(qū)域，提高減震效果，可以有效地保護設備的使用壽命。