激光通信用車載桅桿設(shè)計

孟立新，南世君，史健碩

(1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

當(dāng)今的高科技戰(zhàn)爭中，一切運(yùn)動的武器平臺，如坦克、步兵戰(zhàn)車、偵察車、自行火炮、武裝直升機(jī)、偵察直升機(jī)、艦船等都必須有相應(yīng)的高效通信系統(tǒng)。大氣激光通信具有通信容量大、機(jī)動性好、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，信息不易被截獲，甚至在原子輻射情況下也能正常工作的優(yōu)點。在地面進(jìn)行激光通信，要求通信站點間能夠通視，因此需要將通信光端機(jī)架設(shè)在高處——桅桿上，以克服地表建筑、植被對通信的遮擋，提高通視性，達(dá)到順利通信。

本文對桅桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用ANSYS分析其動態(tài)特性，對其受風(fēng)載荷力進(jìn)行分析，最后在真實環(huán)境做實驗驗證，在滿足桅桿和光端機(jī)技術(shù)指標(biāo)的前提下，實驗結(jié)果符合設(shè)計要求。

圖1 非正常工作狀態(tài)時，桅桿收藏圖Fig.1 The diagram of mast collection when non-normal working condition

1 桅桿總體設(shè)計

在非工作狀態(tài)時，桅桿通過旋轉(zhuǎn)軸和緊固機(jī)構(gòu)平放并固定在工程車上，如圖 1所示；準(zhǔn)備工作時，采用電機(jī)或人通過轉(zhuǎn)動絞盤牽引鋼絲繩索運(yùn)動，使桅桿繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，到達(dá)工作位置后，用鎖緊機(jī)構(gòu)使桅桿豎直并固定，如圖2所示。

1.1 車載桅桿及光端機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

(1)桅桿：

高度：12m(含載車高4m)；

重量：＜60Kg。

(2)光端機(jī)：

圖2 正常工作狀態(tài)時，桅桿架設(shè)圖Fig.2 The diagram of mast erection when normal working condition

1.2 桅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的桅桿是在已有的通信車上使用，考慮到安裝方便、固定牢固、負(fù)載輕等問題，決定采用三角形框架結(jié)構(gòu)形式[1]，材料用45#，周圍鋼管與主鋼管排“人”字型焊接[2]。結(jié)構(gòu)形式圖如圖3所示。

此設(shè)計在軸上還安裝了一排作用力與桅桿和負(fù)載重力方向相反的彈簧機(jī)構(gòu)-扭簧，使其一邊與車體固定，另一邊與桅桿軸向垂直緊貼，這樣當(dāng)桅桿隨軸旋轉(zhuǎn)的時候，扭簧產(chǎn)生反力，使其達(dá)到力矩平衡，減小了牽引力。扭簧結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 桅桿結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The diagram of mast structure

圖4 扭簧結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 The diagram of twist spring structure

1.3 桅桿模態(tài)分析

在大慣量功率系統(tǒng)中，都幾乎共同面臨著一個結(jié)構(gòu)諧振問題。桅桿的結(jié)構(gòu)諧振主要是由桅桿的柔性與大負(fù)載慣量引起的，它有一定的諧振頻率，如果這一諧振頻率接近伺服系統(tǒng)頻寬，將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到威脅。因此，常將桅桿機(jī)械部分的固有頻率設(shè)計成為驅(qū)動部分固有頻率的5~8倍以上，所以要進(jìn)行桅桿的模態(tài)分析，如圖5所示是桅桿前6階模態(tài)分析結(jié)果。

圖5 桅桿前6階模態(tài)分析圖Fig.5 The diagram of modal analysis of mast for the 6 steps

前6階模態(tài)圖譜如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)前6階模態(tài)分析結(jié)果圖Fig.6 The diagram of modal analysis result of system for the 6 steps

通過模態(tài)分析，桅桿最低頻率為9Hz，高于控制帶寬設(shè)計要求。

1.4 桅桿結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析

桅桿結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)的位移和加速度如圖7、8所示。

分析以上兩圖，得出它們共同的諧振頻率約為100Hz，所以設(shè)計和使用時應(yīng)避開這個頻率，以克服共振、疲勞，以及受迫振動引起的有害效果。

圖7 位移諧響應(yīng)圖Fig.7 The diagram of displacement harmony response

圖8 加速度諧響應(yīng)圖Fig.8 The diagram of acceleration harmony response

1.5 桅桿受力分析

桅桿工作時所受外力主要有負(fù)載壓力和風(fēng)載荷，由于風(fēng)載荷是高聳結(jié)構(gòu)的主要載荷，所以風(fēng)載荷是影響桅桿晃動的主要因素。

風(fēng)載荷計算公式為[3]：

(1)風(fēng)力系數(shù)C

風(fēng)力系數(shù)與結(jié)構(gòu)物的體型、尺寸等有關(guān)，對于圓管制成的框架結(jié)構(gòu)C=1.3。

式中：q—計算風(fēng)壓，單位 N/m2；V—計算風(fēng)速，單位m/s

(3)計算風(fēng)壓q

風(fēng)壓與空氣密度和風(fēng)速有關(guān)，按下式計算：

(4)迎風(fēng)面積A

結(jié)構(gòu)與其上物品的迎風(fēng)面積按最不利迎風(fēng)方位

圖9 桅桿變形仿真分析圖Fig.9 The diagram of mast distortionsimulation analysis

計算并取垂直于風(fēng)向平面上的投影面積。

經(jīng)計算桅桿所受風(fēng)載荷為：1.12×2N，按五級風(fēng)計算，風(fēng)速為8.0～13.8m/s，風(fēng)載荷約為213N。

將上述計算出的風(fēng)載荷213N看作分布力均勻施加在桅桿垂直表面上，如圖9所示。經(jīng)過變形仿真分析，計算出最大變形為4.83mm，此位移很小，符合系統(tǒng)要求。

2 桅桿外場實驗

對于載體振動強(qiáng)烈的環(huán)境，穩(wěn)定誤差是光端機(jī)跟蹤誤差的主要來源之一，通信光端機(jī)所承受的振動主要由兩部分組成，一是儀載車在怠速情況下，發(fā)動機(jī)的定頻振動，這部分振動通過桅桿傳遞到光端機(jī)上，經(jīng)過對桅桿振動模態(tài)分析和實際振動測試，經(jīng)過桅桿衰減后，傳遞到光端機(jī)上的振動十分微弱，可以忽略不計；另一個是風(fēng)載荷引起的低頻大幅值搖擺振動，這種搖擺振動對光端機(jī)的影響較強(qiáng)烈。

本設(shè)計為了檢測桅桿在真實工作環(huán)境中的性能，進(jìn)行了原理樣機(jī)室外演示驗證實驗。由于目前只有一臺儀載車，因此將其中一個光端機(jī)架設(shè)在室內(nèi)，另一臺架設(shè)在桅桿上，圖10為野外實驗現(xiàn)場。

圖10 野外實驗現(xiàn)場圖Fig.10 The diagram of field experiment

當(dāng)桅桿處于工作狀態(tài)后，首先利用 GPS測得雙方的距離，其次用風(fēng)速計測量環(huán)境風(fēng)速，再用振動測試儀測量桅桿頂端即光端機(jī)安裝座處的振動情況[4]，最后利用誤碼儀測量通信雙方的誤碼率，經(jīng)過多次實驗和測量，對光端機(jī)的跟蹤精度和通信誤碼率進(jìn)行了大量的實驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理，得到光端機(jī)的性能參數(shù)，實驗條件歸納如表1。

表1 野外動態(tài)實驗條件及跟蹤精度統(tǒng)計表Tab.1 The statistics table of the wild dynamic experiment conditions and tracking precision

兩次實驗所測得的桅桿振動特性見圖11、12。

圖11 實驗一時桅桿振動特性圖Fig.11 The diagram of mast vibration peculiarity when experiment 1

圖12 實驗二時桅桿振動特性圖Fig.12 The diagram of mast vibration peculiarity when experiment 2

兩次實驗桅桿擺動特性見圖13、14。

圖13 實驗一時桅桿擺動特性圖Fig.13 The diagram of mast swing peculiarity for experiment 1

圖14 實驗二時桅桿擺動特性圖Fig.14 The diagram of mast swing peculiarity for experiment 2

兩次實驗實測跟蹤誤差曲線見圖15、16。

圖15 外場實驗一跟蹤誤差曲線圖Fig.15 The diagram of tracking error curve for field experiment 1

圖16 外場實驗二跟蹤誤差曲線圖Fig.16 The diagram of tracking error curve for field experiment 2

對測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到表 2所示測試結(jié)果。

表2 野外動態(tài)跟蹤精度測量數(shù)據(jù)Tap.2 The measurement date of the wild dynamic tracing accuracy

由實驗結(jié)果可知：在不同風(fēng)速、振動等動態(tài)條件下，跟蹤誤差滿足設(shè)計要求，驗證了本設(shè)計桅桿的可行性。

3 結(jié)論

本文通過對激光通信用車載桅桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力計算和有限元分析，并進(jìn)行室外實驗，在獲得了在特定環(huán)境下的性能參數(shù)下，實踐證明此桅桿是可行的。

[1]王肇民.桅桿結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[2]T.R.格爾內(nèi).焊接結(jié)構(gòu)的疲勞[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3]何慶林.桅桿計算中幾個因素的綜合分析[J].艦船工程研究，1997(1)：20-24.

[4]鄧洪洲，屠海明，王肇民.桅桿結(jié)構(gòu)隨機(jī)風(fēng)振疲勞研究[J].土木工程學(xué)報，2003，36(4)：21-22.