某車載升降平臺(tái)抗風(fēng)穩(wěn)定性仿真計(jì)算

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,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。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15m,同時(shí)在風(fēng)速10m/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0.04mm。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。

圖1升降平臺(tái)示意圖

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)。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。solidworkssimulation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。下面采用solidworks對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行三維建模,并使用solidworkssimulation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15m,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17000kg)遠(yuǎn)大于升降平臺(tái)系統(tǒng)質(zhì)量(約為400kg),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7.5mm,頂部外徑108mm,底部外徑229mm,高度13200mm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)固定較接,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0.549m2。

根據(jù)上述簡(jiǎn)化原則,在so1idworks三維軟件里進(jìn)行建模,如圖2所示。

圖2升降平臺(tái)三方兩層拉線簡(jiǎn)化模型示意圖

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gb=524MPa:屈服強(qiáng)度gs=455MPa:彈性模量E=71GPa:密度p=2.81g/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:

式中:p為風(fēng)壓(N/m2):CF為風(fēng)速的高度修正系數(shù),取2.05:⑦為風(fēng)速(m/s)。

按作業(yè)風(fēng)速10m/s計(jì)算風(fēng)壓為128.125N/m2。在so1idworkssimu1ation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so1idworkssimu1ation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)向固定較鏈。

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。

圖3升降平臺(tái)位移計(jì)算結(jié)果

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13453mm,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0.0187~0.0195mm,通過插值計(jì)算出位移約為0.0190mm,小于0.04mm,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15m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?？紤]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10m/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so1idworks建模,并在so1idworkssimu1ation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。