動態掃描系統高塔安裝可行性分析

江良劍，熊善泉，焦海松

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

為進行某對抗裝備的地面試驗，需將炮彈安裝在掃描系統上，并置于高塔上，實現對地面一定區域方位的俯仰掃描。試驗時確保掃描角度和轉速具有較高的穩定性，對抗系統在動態情況下掃描、目標識別和攻擊行為的前提條件。場區高塔外圍設有環形工作平臺，可滿足對地通視要求。但掃描系統直接放置到環形工作平臺上，單位面積的壓力大大超出了塔體的承重能力，需要設計一個帶升降機構的安裝支座。為確保試驗的安全性和可靠性，在設計過程中采用ANSYS 軟件作為輔助工具，對支座和掃描系統進行強度分析計算，得出了極限位移值和應力值，為試驗順利進行提供了可靠的依據。

1 安裝結構的有限元分析

1.1 建立幾何模型

掃描系統選用材料為鋁合金，密度為2.77e－6kg/mm3，屈服力為280 MPa，楊氏模量為71 000 MPa，泊松比為0.33。幾何模型的建立通過Auto CAD 三維建模完成，然后實體模型通過ANSYS 的CAD 接口功能導入［1］。根據掃描系統的外形尺寸和技術指標，在建立CAD 模型的時候將掃描系統的一些內部小結構作為整個結構的一部分，著重考慮內環、外環以及支撐結構的力學特征。安裝支座采用強度比較高的型鋼制作，一端穿過窗戶緊固在塔墻上，另一端加持在護欄上，以避免安裝使用膨脹螺釘對塔體造成損壞。圖1 為掃描系統及升降機構的計算模型。

圖1 掃描系統及升降機構的計算模型

模型建好后，對其進行網格劃分，生成有限單元網格，為施加邊界條件、施加荷載和求解做好準備。

1.2 邊界條件及荷載施加

定義垂直于內環軸的水平方向為x 方向，掃描系統的高度方向為y 方向，內環的軸方向為z 方向。一般情況下，桿件端部約束情況比較復雜，在進行力學模型簡化時，一定要符合理論邏輯，列出符合實際約束情況的邊界條件［2］。考慮到實際的工程要求和節點受力狀態，本文采用簡化模型來模擬真實結構，在人字柱和斜腿柱的底面，約束全部自由度，實現柱腳的剛接。

線性靜力結構分析是分析結構在給定靜力載荷作用下的響應，可以得到結構的位移、應力、應變等。通用的運動方程如式(1)［3］:

式中:［M］是質量矩陣，［C］是阻尼矩陣，［K］是剛度系數矩陣，{x}是位移矢量，{F}是力矢量。

分兩個荷載步施加荷載，第一個荷載步為炮彈的重力;第二荷載步為炮彈旋轉時候的離心力。炮彈的質量一般是固定的，對整體是一個向下的力，不會引起掃描系統的偏移及振動。炮彈旋轉時候的離心力跟炮彈的質量、旋轉速度和炮彈的位置有關。為簡化模型，假設炮彈的質量是均勻分布、結構對稱的圓柱。離心力的計算公式為:F=Mω2R，從公式當中可以看出當轉速越快，炮彈質心離中心越遠，離心力就越大。為保證試驗的精度，選取炮彈質量最大，轉速最快，炮彈質心離中心最遠進行計算，掃描系統安裝的精度要求高于這種極端情況。

1.3 分析結果

圖2 為此安裝方案在掃描系統轉動時的掃描系統及升降機構發生的應力云圖和應變云圖，從圖中可以看出來，掃描系統正常轉速情況下，升降結構支架和掃描系統發生的應力和應變很小。掃描系統和升降機構連接固定的地方，安裝支座會受到較大的應力和應變。應力的最大值14.125 MPa，一般鋁合金和鋼材的屈服強度為280 MPa，所以符合材料安全性的要求。由于在掃描系統轉動的時候，掃描系統底盤部分會來回受力并發生應變，故需要將掃描系統底盤連接處的鋁合金或者鋼板加厚。

圖2 應力和應變云圖

當模擬系統轉動的時候，會給安裝支座的固定部分施加一定的力。圖3、圖4 和圖5 為某時刻窗戶、護欄和地面對安裝支座施加力的情況。表1 是這三個部分所受力的最大的具體值。

圖3 窗戶支架所受到的力

圖4 護欄支架所受到的力

圖5 支座底部所受到的力

表1 安裝支座最大受力情況

窗戶、護欄支撐和基座支撐結構所受到的力會反作用于窗戶、護欄和環形工作平臺地面。窗戶受到在x 方向的力比較大為520 N，所以窗戶支撐結構還必須緊緊的固定在窗戶臺上面。窗戶支撐受到的力為693.95 N，護欄受到的力為3 136.7 N，環形工作平臺地面受到的力為6 624.5 N。這幾個力主要的受力方向為y 方向，在進行方案設計的時候需要考慮它們所受力的安全性。在不影響使用的情況之下，基座的面積盡量做得比較大一些。

2 形變對掃描范圍的影響分析

為保證試驗的精度，需要考慮在掃描系統轉動的時候，形變引起的掃描偏移必須滿足規定的要求，如圖6。當掃描系統內環有一個在x 方向有一小的偏移的時候，模擬中心也會發生偏移，指標要求偏移量小于3 m，可以求出掃描系統內環允許的最大偏移量L。根據幾何關系，由于偏移量L 很小，可以利用以式(2)求的L 的數值。

圖6 掃描系統掃描偏移計算圖

圖7 是由ANSYS 軟件建模計算得出的掃描系統在x方向的偏移量，最大的數值為0.321 2 mm，遠遠小于L 的值，所以掃描系統轉動的時候，能夠完全滿足掃描精度的要求。

圖7 掃描系統在x 方向的偏移

3 結語

本文針對高塔對設備安裝的特殊要求，充分利用塔體的結構特點，設計了掃描系統安裝支座。利用ANSYS 軟件對掃描系統和安裝支座進行了有限元分析，獲得了位移云圖和應力云圖，分析結果表明所設計的安裝支座具有較強的穩定性，掃描系統轉動過程中能夠滿足掃描精度和安全性的要求。

［1］張朝暉.ANSYS10.0 結構分析工程應用實例解析［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］張樂樂.ANSYS 輔助分析應用基礎教程［M］.北京:北方交通大學出版社，2006.

［3］侯健.有限元建模技術研究及雷達車天線結構有限元分析［D］.西安:西安電子科技大學碩士學位論文，2010.