高強度望遠鏡載車平臺結構優化設計與分析*

周明亮,張奔雷,盧保偉

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)

0 引 言

光電設備是用于探測空間目標的一個很重要的工具,光電經緯儀作為最具代表性的光電探測設備,不僅能夠詳細地記錄空間運動目標的飛行軌跡和姿態[1],而且測量準確,不易受到地面上雜波的影響,比雷達等無線電設備更有優勢。因此,它常常作為一種重要的測量手段,用于靶場測量火箭、炮彈等的飛行外彈道[2-5]。隨著光電技術、計算機技術以及伺服控制技術的發展,光電設備的應用場景也越來越廣泛,這些設備不僅可以對空間目標實施可晝夜的、自動跟蹤的功能[6-7],還可以實時輸出目標的位置[8]。目前,光電探測設備的應用領域劃分已經越來越細,功能也越來越強大,從最初的測量外彈道,到現在的靶場測量、激光發射、光電對抗、空間探測等功能均可實現。

按照工作載體進行劃分,光電設備可以分為地基式、艦載式、車載式、機載式[9]、星載式等。較為常見的車載式光電設備又可以分為下車式和不下車式,顧名思義,前者是指在運輸途中將光電設備放在載車上,工作中將其移到地面上進行測量;與前者不同,后者無論是否處于工作狀態,均需將光電設備固定在載車上,工作時則需將載車平臺進行支撐以提高工作基礎的剛度[10]。從工作原理上來說,各種光電設備基本一致,但它們的結構、用途、控制方法等具有很大的差別,筆者主要討論了一種大型的車載望遠鏡的載車平臺技術。

該車載望遠鏡的各部分結構十分緊湊,且大多部分都采用了輕量化的設計,該車載望遠鏡光學系統總體質量超過15 t。由于光學系統價值過高,所以載車在運行過程中和光學系統靜止狀態下要以保證光學系統的安全為前提,同時要求載車在兩種狀態下都要滿足望遠鏡底部圓環面的面型要求。因此需要對載車平臺結構進行一系列的優化設計,并利用有限元分析方法對每種結構進行分析,選出最優結構,以保證其功能[11-12]。

初步確定載車平臺主要分為主體框架和中心承載結構兩個部分。針對載車平臺對整體框架剛度和承載區域面形的要求,對載車平臺的結構進行有限元分析和優化設計,使其能夠滿足設計使用要求。并分別針對主體框架和中心承載結構兩個部分進行設計和優化分析,最終得出最優方案。

1 載車主體框架的設計

載車平臺的主體框架結構的剛度決定了整個載車系統的結構剛度,是整個載車系統的骨架,對系統的穩定性至關重要[13]。在保證主體框架結構有較高的剛度和抗彎強度的情況下,載車平臺的質量也要保持在合理的范圍內,不能有太大的質量。因此,框架系統大都采用焊接成型技術,用各種型鋼焊接成型即可以保證結構比剛度,成本而且也較低[14]。

按照20 t進行設計。為保證整個系統的穩定性和剛度,主體車架橫截面抗彎截面剛度越大越好,而H型鋼或方形鋼的抗彎截面剛度大,因此載車主體框架預采用H型鋼和方形鋼拼接焊接,前后額頸均采用方形鋼呈井字形焊接,中間部位的大梁及副梁分別采用H型鋼和方鋼。

根據車上外形較大設備尺寸,預留人員操作的空間,再根據車輛運輸時的界限尺寸要求,結合原有的設計經驗,設計主體框架外形尺寸為:12 800 mm×3 000 mm×1 310 mm。其二維示意圖如圖1所示。

圖1 載車主體框架二維示意圖

圖2、3為主體框架結構一和二的示意圖。其中,圖2所示結構中間部分用H型鋼作為大梁和橫梁,方鋼作為副梁,中心承載部位由筋板焊接并與由四根H型鋼拼成的井字形結構相連,圓形筋板剛性較好且主要受壓,圓形外筋板主要受拉,從而形成類似于網兜型的結構。

圖2 主體框架結構一

圖3所示結構利用了H型鋼具有大剛度、抗彎強度高等特點,其大梁副梁及橫梁通體都用H型鋼拼湊焊接而成,中心承載部分由環形板焊接成H形狀板然后焊接在三根大梁上,同時沿上下兩圓環版中間筋法向、圓周均勻分布24條等寬筋板。

圖3 主體框架結構二

圖4所示為靜立支撐狀態下結構形式一的中心承載面均勻承受光學系統全部重量時的變形云圖,承載面最大位移為10.592 mm。圖5所示為靜立支撐狀態下主體框架結構二的中心承載面均勻承受光學系統全部重量時的變形云圖,承載面最大位移為3.485 mm。

圖4 結構一的變形云圖 圖5 結構二變形的變形云圖

將圖2和圖3所示結構的分析結果進行對比,不難看出圖2載車結構配合承載塔臺剛度一般,而且整個結構焊接較為復雜;除了主體結構的H型鋼和方形鋼的焊接外,中心承載部分筋板的焊接更是重中之重,關乎著整個系統的穩定性。這種結構方式對鋼料的焊接提出了較高的要求,加工難度大,成本高,如果焊接后的應力釋放不均勻,還可能會引入變形和內部應力。而采用圖3所示結構中心承載區域配合承載塔臺剛度更好,相對于圖2結構,其變形大大減小,并且中間部位完全采用H型鋼組合焊接,加工精度大大降低。但由于結構二比結構一多一根H型鋼大梁,同時結構二副梁比結構一質量要高,導致結構二總質量相對于結構一增加30%。文中選用圖3所示結構作為載車的主體框架并在其基礎上進行優化。

2 載車承載區域設計

2.1 車架承載位置的確定

靜立支撐狀態下,要求載車中心承載面面型精度及各點平均位移相近,載車平臺前后支撐跨度將近6 m,車架的主變形主要是由車架自重及車上設備重力引起的彎曲變形,如圖6所示。

圖6 車架受力變形示意圖

圖6中F表示單個集中力,l、a、b分別表示前后支腿之間的跨距、集中力到前支腿的距離、集中力到后支腿的距離。設x表示車架上點距離前支腿的距離,δx表示車架撓度,那么根據材料力學簡支梁力學公式可得:

(1)

(a≤x≤l)

(2)

(3)

(4)

由材料力學簡支梁力學公式可取a=b,即載車中心承載位置位于載車對稱中心處。

2.2 承載底座的設計分析

由上節確定了中心承載位置為載車車架對稱中心處,由于光學系統重量完全作用于承載位置上,且光學系統底部轉動軸承內圈要求懸空,僅外圈與承載面接觸,而光學系統軸承外圈尺寸為內徑1 900 mm、外徑2 100 mm,所以實際受壓部分僅為半徑差為100 mm的圓環面。為增加該圓環面受載后面型精度及承載部位的剛度,設計了如圖7所示的承載底座。該底座由三部分組成,由上到下依次為承載圓環、筋板、筋板墊。承載圓環可承受光學系統重量,筋板可增加底座的剛度,筋板墊與載車承載部分接觸可增加載車承載部分的受載面積。

圖7 承載底座結構示意圖

為驗證承載底座的可靠性,基于載車車架的一種結構形式進行有無底座情況下的承載分析。一種情況直接將承載圓環面焊接在載車車架承載區域,另一種情況是將底座焊接在車架承載區域。建立兩種情況的有限元分析模型,并采用四面體網格進行劃分,分別分析兩種方案的靜立支撐狀態下的承載圓環的變形及面型精度。兩種情況下承載圓環變形如圖8、9所示。

圖8 無底座情況下承載圓環變形

導出承載圓環各點初始位置坐標及變形后位置坐標,通過Matlab面型擬合程序對圓環面進行擬合分析求得變形后面型參數。兩種方案的面型精度及剛性位移如表1所列。

表1 兩種方案的面型精度及剛性位移

對比可知,有底座情況相對于無底座情況RMS值減小了70%左右,PV值減小了80%左右,剛性位移則減小20%左右。

3 結構設計優化分析

由車載光學系統用途可知,載車有兩種工作情況。一種為光學系統運輸狀態即載車被車頭拖動狀態,該狀態下光學系統不工作,所以該狀態下載車變形情況在安全標準內即可。另一種工作情況則是光學系統工作狀態即載車靜止,由支撐柱支撐整車懸空,該情況下載車結構不僅要滿足安全要求,還要滿足光學系統工作狀態要求即載車承載底座上承載圓環面型精度RMS滿足要求。由上所述,此次優化針對結構二對載車大梁和副梁截面形狀進行優化設計,圖10、11為優化過程中幾種型鋼的編號與截面圖形。

圖10 三種矩形鋼橫截面形狀

圖11 四種H型鋼橫截面形狀

通過組合各型鋼,得到八種不同的結構方案,建立九種方案的有限元分析模型,九種方案各梁組合形式如表2所列。并采用四面體網格進行網格劃分,靜力學分析得出變形云圖,如圖12所示,并導出承載圓環變形數據,通過Matlab面型擬合程序求出各方案承載圓環的面型精度,如表3所列。

表2 九種方案各梁組合形式

表3 九種方案分析結果

圖12 九種方案變形云圖

4 最終方案

通過上面的一系列分析,最終確定載車平臺的結構如圖13所示。大梁和副梁均選用截面寬×高為300 mm×300 mm且上下板及中間筋板均厚15 mm的H型鋼,中間橫梁均采用截面寬×高為150 mm×250 mm且壁厚均為10 mm的矩形鋼,車架由各梁焊接而成。承載底座放置在載車中心對稱部位,通過24根承載筋板加強底座Z向剛度,使承載圓環面足以承載光學系統重量,保證圓環面面型精度。

圖13 載車裝置結構圖

分析結果表明,該載車平臺在光學系統靜止和工作狀態下完全滿足該光學系統的安全和使用要求。

5 結 語

文中針對車載光學系統的工作過程,設計了載車平臺,外形尺寸為12 800 mm×3 000 mm×1 310 mm,質量為12 071 kg。為了保證光學系統的安全性和載車平臺的實用性,對比分析了兩種主體框架的結構,然后設計優化了九種方案下各梁的截面形狀,通過比較各方案的面型值選擇出最優載車結構方案。分析結果表明,該載車平臺達到了設計要求,可以為類似的結構提供一定的指導。其結構和安裝、使用方法對于光學系統載車的設計具有很好的借鑒和指導意義。