某車載升降平臺(tái)抗風(fēng)穩(wěn)定性仿真計(jì)算

王卓顯　高樹明　朱晨

摘 要：某車載升降平臺(tái)附加拉線后搭載雷達(dá)及光學(xué)設(shè)備降低車體對(duì)設(shè)備的影響以及樹木、土堆等低空障礙物對(duì)設(shè)備的遮擋。根據(jù)其離地高度、作業(yè)風(fēng)速以及光學(xué)設(shè)備成像質(zhì)量對(duì)位移的要求，按照簡(jiǎn)化模型原則在SolidWorks建模，并在SolidWorks Simulation對(duì)其抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行有限元仿真分析，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明該方法合理可行，且交付用戶后的實(shí)際應(yīng)用證明其抗風(fēng)穩(wěn)定性和光學(xué)設(shè)備成像質(zhì)量均能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性；SolidWorks Simulation；作業(yè)風(fēng)速

中圖分類號(hào)：TN97? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0060-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.017

1? ? 設(shè)備概況

為了最大限度發(fā)揮裝備的高機(jī)動(dòng)性，在車載電子裝備設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮快速架設(shè)撤收指標(biāo)，因此在車載電子裝備總體設(shè)計(jì)中，通常采用舉升機(jī)構(gòu)將設(shè)備架高減少車體對(duì)設(shè)備的影響以及樹木、土堆等低空障礙物對(duì)設(shè)備的遮擋。電動(dòng)升降桿是設(shè)備舉升的常見機(jī)構(gòu)，通常用于駐車舉升并附加拉線作為輔助約束[1]，采用電動(dòng)升降桿搭載設(shè)備升高作業(yè)可以有效地減少操作人員的數(shù)量，降低作業(yè)強(qiáng)度，并可靠縮短作業(yè)時(shí)間，提高設(shè)備的機(jī)動(dòng)性[2]。當(dāng)車載設(shè)備處于作業(yè)狀態(tài)時(shí)，風(fēng)載會(huì)影響升降桿和設(shè)備的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響設(shè)備的性能。

如圖1所示，某車載升降平臺(tái)由電動(dòng)升降桿和二軸云臺(tái)組成，主要搭載雷達(dá)及光學(xué)設(shè)備用于作業(yè)數(shù)據(jù)的獲取，升降平臺(tái)搭載設(shè)備升高作業(yè)時(shí)，設(shè)備離地高度不小于15 m，同時(shí)在風(fēng)速10 m/s條件下能正常工作。由于升降平臺(tái)搭載的光學(xué)設(shè)備的成像質(zhì)量是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán)，因此在作業(yè)風(fēng)速條件下，光學(xué)設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)位移變化應(yīng)小于0.04 mm。根據(jù)升降平臺(tái)作業(yè)風(fēng)速及光學(xué)設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)合速度的指標(biāo)要求，升降平臺(tái)附加三方兩層拉線，在此作業(yè)工況下對(duì)該車載升降平臺(tái)抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析計(jì)算。

SolidWorks是第一個(gè)基于Windows平臺(tái)開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，建模功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)[3]。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks Simulation是SolidWorks公司開發(fā)的一種功能強(qiáng)大的有限元分析工具軟件，是一個(gè)與SolidWorks三維軟件完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，其主要功能包括應(yīng)力計(jì)算與分析、應(yīng)變計(jì)算與分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化、線性與非線性分析等[4]。下面采用SolidWorks對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行三維建模，并使用SolidWorks Simulation對(duì)升降平臺(tái)抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行有限元仿真分析計(jì)算。

2? ? 有限元仿真分析計(jì)算

2.1? ? 模型簡(jiǎn)化及建模

由于設(shè)備離地高度要求不小于15 m，升降平臺(tái)應(yīng)全部展開，升降桿升到最大高度。為了便于計(jì)算，獲得簡(jiǎn)化模型，按照以下原則對(duì)模型及邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化：

（1）整車質(zhì)量（約為17 000 kg）遠(yuǎn)大于升降平臺(tái)系統(tǒng)質(zhì)量（約為400 kg），因此固定在車底盤的升降平臺(tái)底部固定視為固定連接（考慮到整車調(diào)平）；

（2）升降平臺(tái)頂部上裝設(shè)備與升降平臺(tái)及相互之間均為剛性連接；

（3）以平均壁厚7.5 mm，頂部外徑108 mm，底部外徑229 mm，高度13 200 mm的錐臺(tái)鋁合金管作為升降平臺(tái)電動(dòng)升降桿模型；

（4）升降平臺(tái)拉線處視為環(huán)向相對(duì)固定鉸接，將升降平臺(tái)簡(jiǎn)化為超靜定梁；

（5）二軸云臺(tái)、雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備僅按最大迎風(fēng)面積簡(jiǎn)化建模，根據(jù)二軸云臺(tái)、雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備外形計(jì)算最大迎風(fēng)面積為0.549 m2。

根據(jù)上述簡(jiǎn)化原則，在SolidWorks三維軟件里進(jìn)行建模，如圖2所示。

2.2? ? 添加材料屬性

升降桿材料為鋁合金7075圓管型材，其力學(xué)性能如下[5]：抗拉強(qiáng)度σb=524 MPa；屈服強(qiáng)度σs=455 MPa；彈性模量E=71 GPa；密度ρ=2.81 g/cm3；泊松比為0.33。二軸云臺(tái)、雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備僅考慮質(zhì)量和迎風(fēng)面積，不加載材料特性。

2.3? ? 施加載荷與約束

風(fēng)壓按下式計(jì)算[6]：

p=CFv²/1.6（1）

式中：p為風(fēng)壓（N/m2）；CF為風(fēng)速的高度修正系數(shù)，取2.05；v為風(fēng)速（m/s）。

按作業(yè)風(fēng)速10 m/s計(jì)算風(fēng)壓為128.125 N/m2。在SolidWorks Simulation中模型樹右擊外部載荷對(duì)升降平臺(tái)及其搭載的雷達(dá)和光學(xué)設(shè)備在最大迎風(fēng)面積施加計(jì)算所得風(fēng)壓值的壓力。

在SolidWorks Simulation中模型樹右擊夾具對(duì)升降平臺(tái)底部施加固定幾何體，對(duì)三方兩層拉線對(duì)應(yīng)位置施加環(huán)向固定鉸鏈。

2.4? ? 劃分網(wǎng)格并計(jì)算

在模型樹中右擊網(wǎng)格，在彈出的菜單中選擇生成網(wǎng)格命令，選擇默認(rèn)網(wǎng)格密度和網(wǎng)格參數(shù)完成網(wǎng)格劃分。然后運(yùn)行模擬算例，后臺(tái)計(jì)算后得到三方兩層拉線升降平臺(tái)位移計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果中提取光學(xué)設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)附近區(qū)段位移值如表1所示。

光學(xué)設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)Z向坐標(biāo)位置為13 453 mm，介于表1中第10行和第11行數(shù)據(jù)之間，光學(xué)設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)位移在0.018 7～0.019 5 mm，通過插值計(jì)算出位移約為0.019 0 mm，小于0.04 mm，滿足設(shè)備使用要求。

3? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用

為了驗(yàn)證升降平臺(tái)仿真分析計(jì)算結(jié)果，考核升降平臺(tái)搭載雷達(dá)及光學(xué)設(shè)備的抗風(fēng)穩(wěn)定性，升降平臺(tái)進(jìn)行性能調(diào)試后安裝到底盤車后，在試驗(yàn)基地按照駐車工作狀態(tài)升起15 m后同時(shí)在光學(xué)設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)貼裝高性能位移傳感器，按照實(shí)際風(fēng)速進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。考慮到實(shí)際風(fēng)速的不可控因素，按照試驗(yàn)大綱，實(shí)際風(fēng)速與指標(biāo)風(fēng)速差值在±5%以內(nèi)即滿足試驗(yàn)條件，試驗(yàn)驗(yàn)證過程中共選擇三次接近10 m/s的工況及位移結(jié)果，試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比如表2所示，差值百分比均小于10%，表明升降平臺(tái)抗風(fēng)穩(wěn)定性仿真計(jì)算方法合理可行。在三次風(fēng)速工況下，光學(xué)設(shè)備成像穩(wěn)定可靠，成像質(zhì)量滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

升降平臺(tái)隨整車電子系統(tǒng)已交付用戶，實(shí)際應(yīng)用證明其抗風(fēng)穩(wěn)定性和光學(xué)設(shè)備成像質(zhì)量均能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4? ? 結(jié)語

某車載電子系統(tǒng)采用升降平臺(tái)搭載雷達(dá)及光學(xué)設(shè)備用于作業(yè)數(shù)據(jù)的獲取，根據(jù)其離地高度、作業(yè)風(fēng)速以及光學(xué)設(shè)備成像質(zhì)量對(duì)位移的要求，按照簡(jiǎn)化模型原則在SolidWorks建模，并在SolidWorks Simulation對(duì)其抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行有限元仿真，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明方法合理可行，在交付用戶后的實(shí)際應(yīng)用中抗風(fēng)穩(wěn)定性和光學(xué)設(shè)備成像質(zhì)量均能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳詩超，張朝.基于輕高機(jī)車載平臺(tái)的升降桿及其安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].新型工業(yè)化，2021，11（2）：254-257.

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[3] 方顯明，祝國(guó)磊，徐翔鶯.SolidWorks基礎(chǔ)教程（2021版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2022.

[4] DS SOLIDWORKS R公司.SOLIDWORKS Simulation高級(jí)教程（2020版）[M].杭州新迪數(shù)字工程系統(tǒng)公司，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

[5] 《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè) 第3卷：鋁合金 鎂合金[M].2版.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[6] 王肇民.桅桿結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

收稿日期：2023-01-11

作者簡(jiǎn)介：王卓顯（1983—），男，山東人，高級(jí)工程師，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。