雷达起竖设备结构动力学分析及试验

李 帅 秦 利 李泳峄 贾学军北京航天发射技术研究所 北京 100076摘 要：基于双侧液压缸式雷达起竖设备运动方程，通过ADAMS 动力学仿真得到了该过程中起竖角度与起竖载荷之间的关系。通过对仿真曲线进行分析，确定了起竖过程中载荷边界工况，并在该工况下对结构进行刚强度校核。对雷达起竖过程应力进行测试，经对比分析计算及测试结果，得出结构测试应力与计算应力之间的定量关系。研究结果可为仿真计算结果评估提供参考。关键词：雷达起竖设备；起竖过程；动力学；仿真；试验中文分类号：TP391.9 文献标识码: A 文章编号：1001-0785（2018）06-0136-040 引言雷达起竖设备的作用是将雷达由水平状态起竖成倾斜或者垂直状态的机构。雷达起竖设备组成如图1 所示，主要由起竖液压缸、车体支架等组成。起竖设备通过液压力作用于起竖液压缸、提供起竖过程所需的动力，可实现雷达负载从水平状态到垂直状态的起竖动作以及撤收回平动作。图 1 雷达起竖设备示意图雷达起竖过程中承受的载荷有雷达重力和液压系统的驱动力（起竖力）。为了保证起竖设备在设计上具有足够的安全系数，有必要确定起竖过程中载荷边界工况，并校核结构刚强度。1 雷达起竖过程载荷分析图2 所示为起竖过程中起竖机构在雷达轴向铅垂面Oxy内3 个不同时刻的运动状态。状态一为起竖前雷达处于水平位置；状态二为起竖过程中的某一状态；状态三为起竖完毕，雷达处于垂直位置。图中O1 为雷达的旋转中心在 Oxy平面上的投影点， O 2 为液压缸下支撑点的旋转中心，O 3 为液压缸上支承点的旋转中心，O 4 为雷达的重心。O1 、O 2、O 3、O 4 位于Oxy平面内，设由起竖机构处于状态一时的空间结构决定[1]。图 2 起竖状态示意图当设备由状态一经历时间t 至状态二时， 在中有式中： θ (t) 为 t 时刻与 的夹角，将设为 ，其值可由下式确定设状态二时的长度为2L (t) ，在中有系统处于状态一时，设雷达质心O 4 与起竖回转点O 1 的连线与水平面的夹角为0φ，则当t 时刻雷达处于状态二时，质心与起竖回转点O 1 连线与水平面的夹角此时，重力作用在机构回转点 的力矩式中：F 为雷达重力，L(t) 为 t 时刻雷达作用在回转点的力臂， 4 L􀀀t􀀀=􀀀L φ ′ t 。同样，考虑处于t 时刻的状态二，雷达绕其旋转中心O 1 转动，转动微分方程为式中：J 为雷达绕转动中心O 1 的转动惯量，ϕ(t)为其转动角加速度，为作用在起竖设备上的载荷绕转动中心O 1 的合力矩，负号表示力矩与转角ϕ (t)的方向相反。由上述分析可知：其中：为起竖液压缸所产生的力矩， 为t 时刻的起竖力，LP (t ) 为t 时刻的起竖力的力臂。在 中由正弦定理可知：在ADAMS 中建立了仿真模型对雷达起竖过程进行模拟[2]，仿真得出的液压缸载荷与角度关系如图 3 所示。图 3 起竖过程载荷变化由图3 可知：雷达起竖设备起竖过程中液压缸载荷随起竖角度的增大而减小，且在起竖瞬间（工况一）所受载荷最大，此时结构受力工况最恶劣。因此，以工况一作为载荷边界进行结构刚、强度校核时，能够包络设备起竖过程中的所有载荷工况。2 边界载荷工况下结构校核及试验2.1 结构校核由以上分析可知，雷达起竖设备在起竖瞬间（即水平位置）所承受的载荷最大。结构部分中起竖支架为薄弱环节，因此在起竖瞬间对起竖支架进行刚强度校核。载荷施加如图 4 所示，其中x1 F =205.1 kN， y1 F=47.7 kN， x2 F =205.1 kN， y2 F =64.3 kN。在起竖支架与车体支架连接圆环面处施加固定约束[3]。计算结果见图 5。图 4 起竖支架载荷示意图图 5 理论计算云图由图5a 中变形云图可知，在11.2 t 负载工况下结构最大变形为1.37 mm。由于起竖支架固定面发生变形叠加后在后支耳销轴处最大变形为5.86 mm。由图5b 中应力云图可知，此工况下在起竖支架根部位置存在小范围的应力较大区域，最大应力为195.5MPa，该处应力值很快衰减至100 MPa 左右（绿色区域）。经分析应力较大区域主要是由于截面突变引起的。2.2 试验测试为验证仿真计算结果的准确性，保证结构强度，对起竖过程结构应力及变形进行测试。根据计算结果布置应力及变形测点，如图 6 所示。图 6 应力及变形测点布置示意图经过多次起竖试验，负载为11.2 t 工况下回转部分根部最大应力为171.3 MPa，最大变形为7.31 mm。2.3 结果对比为得到计算与试验结果之间较为准确的关系，针对不同的负载分别进行计算和试验，负载质量及起竖瞬间各参数汇总如见表1。通过对比初步得出以下结论：通过有限元计算得出的应力值普遍高于实际测试应力值。当结构发生截面突变时，计算中经常出现小范围的应力过大区域（实际结构应力并不大），此区域内计算应力值比实际测试值高出约10%~20%。在进行有限元计算时，由于忽略实物中存在的配合间隙，且施加的约束条件比实际环境更严苛，因此变形值低于实际变形值约10%~20%。3 结论本文通过对雷达起竖过程进行动力学分析及仿真，得到了起竖液压缸载荷随起竖角度的变化规律，确定了起竖支架载荷边界工况。在边界工况下对起竖支架进行了刚、强度校核，确定结构薄弱环节，得出结构最大应力和变形。对结构起竖过程进行应力及变形测试，通过对比分析计算及测试结果，得到了两者之间的定量关系，可为后续同类设备的计算提供参考。参考文献[1] 姚晓光. 导弹起竖过程的载荷研究[J]. 兵工学报，2008，29(6)：718-722.[2] 李军.ADAMS 实例教程[M]. 北京：北京理工大学出版社，2002.[3] 李建平. 回转起竖装置的设计与仿真[J]. 机械设计与研究，2012，28(3)：103-106.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章为守护人民群众健康 张家界竟多次推出“全国首个”！2020年山东经济“成绩单”公布：GDP比上年增长3.6%找到了！出走的19岁男孩在济南一家五金店应聘工作 店员通过闪电直播将其认出纸吸管喝奶茶被泡化？网友：拿我的不锈钢吸管来！大寒已至，春日可期……

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