某经纬仪垂直轴系的优化设计

　　现代光电经纬仪具有实时测量、高精度、自动跟踪监控和易于图像再现等优点，广泛应用于航空、航天、武器试验、大地测量等科研和军事领域[1]。垂直轴系是光电经纬仪的基础和主要承载部件，它形成了经纬仪的方位旋转轴线，实现方位角测量、跟踪驱动和方位角位置反馈功能。垂直轴系的强度、刚度和固有频率直接影响着经纬仪的精度、稳定性和跟踪性能。传统的垂直轴系的结构设计往往是参照相似类型，在保刚度的前提下进行估算和经验类比，同时为了保证安全通常设计较大的安全系数。这种设计结果不仅增加了制造成本而且影响经纬仪的机动性能，已经不适应现代靶场机动、灵活布站的形式。

　　随着计算机技术的发展，优化设计作为一种现代化设计理论已广泛应用于各个工业部门。优化设计是将优化原理和计算机技术结合应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法，利用这种方法可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。本文针对某成熟型号经纬仪的垂直轴系进行了有限元分析，同时针对其主要承载铸件进行了优化设计，在满足性能的前提下对垂直轴系进行了轻量化处理。

　　1 垂直轴系的有限元分析

　　有限元法的基本思想是将物体(即连续的求解域)离散成有限个且按一定方式互相联结在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析法。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析[2]。

　　本文选取某成熟型号经纬仪的垂直轴系进行有限元分析。该垂直轴系是典型的地平式 U 型架结构，主要由调平机构、顶起机构、抗扭薄膜组件、基座、转台、电器机箱、止推轴承、径向轴承、力矩电机、编码器和垂直轴组成。在分析前首先进行三维建模和结构简化工作，建模时忽略非承载小孔、凸台及转折面，对螺钉孔、小倒角等进行忽略，同时略去对分析结果影响很小的密封盖板、机箱、编码器和承载圈等零部件。

　　完成建模工作后对简化的模型设置各零件的材料属性[3]，主要包括弹性模量、泊松比和密度。各主要零件的材料属性见表 1。

　　设置材料属性后按照零件的工作状态进行约束，各零件均以静载荷分析[4]，除重力外还模拟头部质量在转台的上端面施加 3000N 的工作载荷。分析前处理工作结束后对垂直轴系进行了网格划分[5]，共划分节点 170687 个，单元 90435个。划分网格后的垂直轴系模型见图 1。