大型三轴转台的建模及静态力学分析

　　转台作为惯导的主要测试设备,其应用十分广泛。它的类型也可谓多种多样、变化万千,本文通过对一台大型三轴转台的建模分析,阐述如何在ANSYS应用软件操作系统环境下,快速完成一台大型三轴转台的设计验证工作。

　　1　三轴转台项目设计的基本要求

　　某三轴转台为一具有位置、速率、加速度功能的转台,综合了方位、俯仰、横滚三个自由度的旋转动作。由于该转台的测试件具有较大的外形(750mm×400mm×400mm)和较高的加速度(内、中、外环分别为900°/s2、200°/s2、250°/s2),使得三轴转台外形较大,从而造成框架大、变形量大,难以达到台体的高性能要求(倾角回转精度分别为内框±2″、中框±3″、外框±5″,位置精度±1·5″)。其外形如图1所示。

　　2　模态和固有频率分析

　　2·1建立有限元模型

　　转台模型用软件Solid Edge创建,通过Ansys软件Workbrench界面的Parasolid接口直接导入几何模型进行计算。首先,由于底座、左右支架、内框、中框和外框在所有零件中质量最大,约占整个结构质量的2/3以上,它们对结构模态的影响应该是主要的,而其它零件对低阶模态的影响则要小得多。因此在进行模态分析时,几何模型只导入底座、左右支架、外框、中框、内框以及它们之间的传动轴。其次,但由于台体结构的尺寸较大,零件数目较多,同时零件上有大量的细微结构,直接导入几何模型计算必然使计算规模过大,消耗大量时间。因此需要在计算前对以上零件的几何模型进行必要的简化处理,去除零件上的圆孔、螺孔、倒角、清根等细小结构,个别尺寸予以修正,缩短运算时间。

　　三种材料的属性如表1所示。

　　2·2计算结果

　　计算得到的六阶振型图如图2所示。

　　由于转台的工作频率为10Hz左右,而计算得到的最低阶固有频率为79·66Hz,约为工作频率的8倍,完全满足台体要求。

　　3　静力学分析

　　3·1结构载荷分析

　　转台在工作时结构的载荷有两方面,一是底座和框架轴承孔受到的压力,二是传动轴受到的扭转力矩。在第二类载荷中,轴可以视为受扭转作用的空心圆管。根据材料力学公式,扭转的切应力和转角为

　　由于轴上传递的力矩为几牛·米至几百牛·米,利用此公式对结构中的轴进行应力和转角的估算,得到的结果均在许可范围内。因此只需用有限元方法计算第一类载荷下底座和框架等零件的应力和位移。

　　根据经验,转台中外框的载荷最大,变形量大,对转台的精度影响也是最大的,故本分析中着重对外框进行静态结构力学分析。而外框的工作状态为绕一轴系作旋转运动,所以着重于外框的垂直、水平、45°三种特殊位置。