某車載升降平臺抗風穩(wěn)定性仿真計算

王卓顯　高樹明　朱晨

摘 要：某車載升降平臺附加拉線后搭載雷達及光學設備降低車體對設備的影響以及樹木、土堆等低空障礙物對設備的遮擋。根據(jù)其離地高度、作業(yè)風速以及光學設備成像質量對位移的要求，按照簡化模型原則在SolidWorks建模，并在SolidWorks Simulation對其抗風穩(wěn)定性進行有限元仿真分析，試驗驗證結果表明該方法合理可行，且交付用戶后的實際應用證明其抗風穩(wěn)定性和光學設備成像質量均能滿足技術指標要求。

關鍵詞：穩(wěn)定性；SolidWorks Simulation；作業(yè)風速

中圖分類號：TN97? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0060-03

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

1? ? 設備概況

為了最大限度發(fā)揮裝備的高機動性，在車載電子裝備設計過程中需要綜合考慮快速架設撤收指標，因此在車載電子裝備總體設計中，通常采用舉升機構將設備架高減少車體對設備的影響以及樹木、土堆等低空障礙物對設備的遮擋。電動升降桿是設備舉升的常見機構，通常用于駐車舉升并附加拉線作為輔助約束[1]，采用電動升降桿搭載設備升高作業(yè)可以有效地減少操作人員的數(shù)量，降低作業(yè)強度，并可靠縮短作業(yè)時間，提高設備的機動性[2]。當車載設備處于作業(yè)狀態(tài)時，風載會影響升降桿和設備的穩(wěn)定性，進而影響設備的性能。

如圖1所示，某車載升降平臺由電動升降桿和二軸云臺組成，主要搭載雷達及光學設備用于作業(yè)數(shù)據(jù)的獲取，升降平臺搭載設備升高作業(yè)時，設備離地高度不小于15 m，同時在風速10 m/s條件下能正常工作。由于升降平臺搭載的光學設備的成像質量是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵一環(huán)，因此在作業(yè)風速條件下，光學設備觀測點位移變化應小于0.04 mm。根據(jù)升降平臺作業(yè)風速及光學設備觀測點合速度的指標要求，升降平臺附加三方兩層拉線，在此作業(yè)工況下對該車載升降平臺抗風穩(wěn)定性進行仿真分析計算。

SolidWorks是第一個基于Windows平臺開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，建模功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點[3]。SolidWorks能夠提供不同的設計方案，減少設計過程中的錯誤，提高產(chǎn)品質量。SolidWorks Simulation是SolidWorks公司開發(fā)的一種功能強大的有限元分析工具軟件，是一個與SolidWorks三維軟件完全集成的設計分析系統(tǒng)，其主要功能包括應力計算與分析、應變計算與分析、產(chǎn)品設計及優(yōu)化、線性與非線性分析等[4]。下面采用SolidWorks對升降平臺進行三維建模，并使用SolidWorks Simulation對升降平臺抗風穩(wěn)定性進行有限元仿真分析計算。

2? ? 有限元仿真分析計算

2.1? ? 模型簡化及建模

由于設備離地高度要求不小于15 m，升降平臺應全部展開，升降桿升到最大高度。為了便于計算，獲得簡化模型，按照以下原則對模型及邊界條件進行簡化：

（1）整車質量（約為17 000 kg）遠大于升降平臺系統(tǒng)質量（約為400 kg），因此固定在車底盤的升降平臺底部固定視為固定連接（考慮到整車調平）；

（2）升降平臺頂部上裝設備與升降平臺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的錐臺鋁合金管作為升降平臺電動升降桿模型；

（4）升降平臺拉線處視為環(huán)向相對固定鉸接，將升降平臺簡化為超靜定梁；

（5）二軸云臺、雷達和光學設備僅按最大迎風面積簡化建模，根據(jù)二軸云臺、雷達和光學設備外形計算最大迎風面積為0.549 m2。

根據(jù)上述簡化原則，在SolidWorks三維軟件里進行建模，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，其力學性能如下[5]：抗拉強度σb=524 MPa；屈服強度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、雷達和光學設備僅考慮質量和迎風面積，不加載材料特性。

2.3? ? 施加載荷與約束

風壓按下式計算[6]：

p=CFv²/1.6（1）

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

按作業(yè)風速10 m/s計算風壓為128.125 N/m2。在SolidWorks Simulation中模型樹右擊外部載荷對升降平臺及其搭載的雷達和光學設備在最大迎風面積施加計算所得風壓值的壓力。

在SolidWorks Simulation中模型樹右擊夾具對升降平臺底部施加固定幾何體，對三方兩層拉線對應位置施加環(huán)向固定鉸鏈。

2.4? ? 劃分網(wǎng)格并計算

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，選擇默認網(wǎng)格密度和網(wǎng)格參數(shù)完成網(wǎng)格劃分。然后運行模擬算例，后臺計算后得到三方兩層拉線升降平臺位移計算結果，如圖3所示。

從計算結果中提取光學設備觀測點附近區(qū)段位移值如表1所示。

光學設備觀測點Z向坐標位置為13 453 mm，介于表1中第10行和第11行數(shù)據(jù)之間，光學設備觀測點位移在0.018 7～0.019 5 mm，通過插值計算出位移約為0.019 0 mm，小于0.04 mm，滿足設備使用要求。

3? ? 試驗驗證及應用

為了驗證升降平臺仿真分析計算結果，考核升降平臺搭載雷達及光學設備的抗風穩(wěn)定性，升降平臺進行性能調試后安裝到底盤車后，在試驗基地按照駐車工作狀態(tài)升起15 m后同時在光學設備觀測點貼裝高性能位移傳感器，按照實際風速進行了試驗驗證。考慮到實際風速的不可控因素，按照試驗大綱，實際風速與指標風速差值在±5%以內即滿足試驗條件，試驗驗證過程中共選擇三次接近10 m/s的工況及位移結果，試驗測得結果與計算值對比如表2所示，差值百分比均小于10%，表明升降平臺抗風穩(wěn)定性仿真計算方法合理可行。在三次風速工況下，光學設備成像穩(wěn)定可靠，成像質量滿足系統(tǒng)指標要求。

升降平臺隨整車電子系統(tǒng)已交付用戶，實際應用證明其抗風穩(wěn)定性和光學設備成像質量均能滿足技術指標要求。

4? ? 結語

某車載電子系統(tǒng)采用升降平臺搭載雷達及光學設備用于作業(yè)數(shù)據(jù)的獲取，根據(jù)其離地高度、作業(yè)風速以及光學設備成像質量對位移的要求，按照簡化模型原則在SolidWorks建模，并在SolidWorks Simulation對其抗風穩(wěn)定性進行有限元仿真，試驗驗證結果表明方法合理可行，在交付用戶后的實際應用中抗風穩(wěn)定性和光學設備成像質量均能滿足技術指標要求。

[參考文獻]

[1] 陳詩超，張朝.基于輕高機車載平臺的升降桿及其安裝結構設計與分析[J].新型工業(yè)化，2021，11（2）：254-257.

[2] 夏勇，張增太.高機動雷達自動架撤系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代雷達，2006，28（10）：25-29.

[3] 方顯明，祝國磊，徐翔鶯.SolidWorks基礎教程（2021版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2022.

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

[5] 《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊 第3卷：鋁合金 鎂合金[M].2版.北京：中國標準出版社，2001.

[6] 王肇民.桅桿結構[M].北京：科學出版社，2001.

收稿日期：2023-01-11

作者簡介：王卓顯（1983—），男，山東人，高級工程師，研究方向：電子設備結構總體設計。