某车载升降平台抗风稳定性仿真计算

1设备概况

为了最大限度发挥装备的高机动性,在车载电子装备设计过程中需要综合考虑快速架设撤收指标,因此在车载电子装备总体设计中,通常采用举升机构将设备架高减少车体对设备的影响以及树木、土堆等低空障碍物对设备的遮挡。电动升降杆是设备举升的常见机构,通常用于驻车举升并附加拉线作为辅助约束,采用电动升降杆搭载设备升高作业可以有效地减少操作人员的数量,降低作业强度,并可靠缩短作业时间,提高设备的机动性。当车载设备处于作业状态时,风载会影响升降杆和设备的稳定性,进而影响设备的性能。

如图1所示,某车载升降平台由电动升降杆和二轴云台组成,主要搭载雷达及光学设备用于作业数据的获取,升降平台搭载设备升高作业时,设备离地高度不小于15m,同时在风速10m/s条件下能正常工作。由于升降平台搭载的光学设备的成像质量是系统功能实现的关键一环,因此在作业风速条件下,光学设备观测点位移变化应小于0.04mm。根据升降平台作业风速及光学设备观测点合速度的指标要求,升降平台附加三方两层拉线,在此作业工况下对该车载升降平台抗风稳定性进行仿真分析计算。

图1升降平台示意图

solidworks是第一个基于windows平台开发的三维CAD系统,建模功能强大、易学易用和技术创新是solidworks的三大特点。solidworks能够提供不同的设计方案,减少设计过程中的错误,提高产品质量。solidworkssimulation是solidworks公司开发的一种功能强大的有限元分析工具软件,是一个与solidworks三维软件完全集成的设计分析系统,其主要功能包括应力计算与分析、应变计算与分析、产品设计及优化、线性与非线性分析等。下面采用solidworks对升降平台进行三维建模,并使用solidworkssimulation对升降平台抗风稳定性进行有限元仿真分析计算。

2有限元仿真分析计算

2.1模型简化及建模

由于设备离地高度要求不小于15m,升降平台应全部展开,升降杆升到最大高度。为了便于计算,获得简化模型,按照以下原则对模型及边界条件进行简化:

(1)整车质量(约为17000kg)远大于升降平台系统质量(约为400kg),因此固定在车底盘的升降平台底部固定视为固定连接(考虑到整车调平):

(2)升降平台顶部上装设备与升降平台及相互之间均为刚性连接:

(3)以平均壁厚7.5mm,顶部外径108mm,底部外径229mm,高度13200mm的锥台铝合金管作为升降平台电动升降杆模型:

(4)升降平台拉线处视为环向相对固定较接,将升降平台简化为超静定梁:

(5)二轴云台、雷达和光学设备仅按最大迎风面积简化建模,根据二轴云台、雷达和光学设备外形计算最大迎风面积为0.549m2。

根据上述简化原则,在so1idworks三维软件里进行建模,如图2所示。

图2升降平台三方两层拉线简化模型示意图

2.2添加材料属性

升降杆材料为铝合金7075圆管型材,其力学性能如下[5]:抗拉强度gb=524MPa:屈服强度gs=455MPa:弹性模量E=71GPa:密度p=2.81g/cm3:泊松比为0.33。二轴云台、雷达和光学设备仅考虑质量和迎风面积,不加载材料特性。

2.3施加载荷与约束风压按下式计算:

式中:p为风压(N/m2):CF为风速的高度修正系数,取2.05:⑦为风速(m/s)。

按作业风速10m/s计算风压为128.125N/m2。在so1idworkssimu1ation中模型树右击外部载荷对升降平台及其搭载的雷达和光学设备在最大迎风面积施加计算所得风压值的压力。

在so1idworkssimu1ation中模型树右击夹具对升降平台底部施加固定几何体,对三方两层拉线对应位置施加环向固定较链。

2.4划分网格并计算

在模型树中右击网格,在弹出的菜单中选择生成网格命令,选择默认网格密度和网格参数完成网格划分。然后运行模拟算例,后台计算后得到三方两层拉线升降平台位移计算结果,如图3所示。

图3升降平台位移计算结果

从计算结果中提取光学设备观测点附近区段位移值如表1所示。

光学设备观测点Z向坐标位置为13453mm,介于表1中第10行和第11行数据之间,光学设备观测点位移在0.0187~0.0195mm,通过插值计算出位移约为0.0190mm,小于0.04mm,满足设备使用要求。

3试验验证及应用

为了验证升降平台仿真分析计算结果,考核升降平台搭载雷达及光学设备的抗风稳定性,升降平台进行性能调试后安装到底盘车后,在试验基地按照驻车工作状态升起15m后同时在光学设备观测点贴装高性能位移传感器,按照实际风速进行了试验验证。考虑到实际风速的不可控因素,按照试验大纲,实际风速与指标风速差值在±5%以内即满足试验条件,试验验证过程中共选择三次接近10m/s的工况及位移结果,试验测得结果与计算值对比如表2所示,差值百分比均小于10%,表明升降平台抗风稳定性仿真计算方法合理可行。在三次风速工况下,光学设备成像稳定可靠,成像质量满足系统指标要求。

升降平台随整车电子系统已交付用户,实际应用证明其抗风稳定性和光学设备成像质量均能满足技术指标要求。

4结语

某车载电子系统采用升降平台搭载雷达及光学设备用于作业数据的获取,根据其离地高度、作业风速以及光学设备成像质量对位移的要求,按照简化模型原则在so1idworks建模,并在so1idworkssimu1ation对其抗风稳定性进行有限元仿真,试验验证结果表明方法合理可行,在交付用户后的实际应用中抗风稳定性和光学设备成像质量均能满足技术指标要求。