光电转台轻量化几何形状优化研究

　　1　引言

　　随着社会发展和技术进步,对一些具有特殊功能的光电经纬仪(如火控系统用的),人们要求其具有更高的跟踪速度和跟踪加速度以及高瞄准指向精度。这就要求在机械结构设计时,对关键结构进行轻量化以提高跟踪架的自然频率即系统刚度。影响构件轻量化的因素有三个方面:一是构件的材料,二是构件的几何形状;三是构件的尺寸。其中,构件的几何形状优化是构件尺寸优化的基础,在结构设计当中至关重要。在传统的设计过程当中,人们往往依据经验选择一种几何结构形式,很少去作系统的研究,这种设计方法能固然能够满足强度需要,但设计出来的构件的动态刚度很难达到最优,并且在光电系统跟踪架中的关键构件设计过程当中,强度已不是重点考虑的因素,系统刚度和质量,即动态刚度才是考虑的重点。本文采用的方法是先对光电转台建立起动态模型,在此模型的基础之上,借助于有限元分析软件NXNastran,充分研究筋板的布置方式对动态刚度所造成的影响,再基于此对光电转台的几何形状进行优化筛选,使光电转台的动态刚度得到优化,文中给出了光电转台筋板的布置原则,并根据实际需要为某光电设备选择了一种实用的布筋方式。

　　2　光电转台的动态模型

　　转台是经纬仪跟踪架的核心构件,转台下面有底座,底座与转台之间以止推轴承支撑,转台由力矩电机带动围绕垂直轴转动。垂直轴是整个仪器的方位跟踪回转中心,它与转台之间用径向轴承连接,用以保证经纬仪有精确的径向定位精度。

　　光电转台在跟踪转动的过程当中,其与其它构件的接触情况对它的动态特性影响很大,因为本文主要研究的是几何形状优化,所以暂不考虑阻尼对转台特性的影响。而转台上面的水平轴系、配件等的质量以质量点的形式分布在两个立柱之上

　　2.1　止推轴承简化

　　由于止推轴承的变形量与止推轴承所承受的轴向载荷存在一定的函数关系,所以可以把止推轴承看作一组压缩弹簧,即光电转台由压缩弹簧组来支承,则止推轴承的轴向位移就相当于外力作用下的压缩弹簧组的弹性变形量,而止推轴承的支承刚度就相当于弹簧组的弹性刚度系数总和。下面首先推导出止推轴承的刚度。

　　2.2　向心轴承简化

　　同理,径向轴承主要承受径向载荷的作用。也可以把它简化成压缩弹簧组,分成两组,分布在轴承的上下两端。根据设计参数,可得到径向轴承的支承刚度

　　2.3　动态模型建立

　　得到止推和径向轴承的等效刚度之后,将止推轴承等效弹簧以圆周870mm分布在转台底面,径向轴承等效弹簧,分成两组分布在转台里侧上下两端,如是,建立起光电转台的动态模型如图1。