摘要:车载光学平台必须具备很好的隔振性能及力学性能,才能适应其工作环境条件,基于以上原因拟定了车载光学平台的结构设计方案。利用ANSYS展开了车载光学平台的静态、模态分析试验,从而获得其振动模态和静态应变。试验结果显示:测试结果同ANSYS仿真分析结果相像,说明车载光学平台的稳定性较好,能够为高精密光学系统提供一个良好的工作环境。
工程上车载高精密光学系统能够正常工作需要提供良好的工作环境。其一,高精密光学系统的承载平台应具有良好的力学性能,保证系统的光路不失调;其二,高精密光学系统工作状态下应采取振动隔离措施,保证系统的光路平稳不抖动。为满足车载光学系统的工作环境要求,设计了车载光学平台,它是光学系统的安装、承载平台,是保证高精密光学系统能够稳定工作的关键。因此,进行车载光学平台结构及优化设计是非常必要的。
1、车载光学平台结构设计
为保证光学系统能够正常工作,车载光学平台结构设计主要采取了以下措施:一方面,对光学平台进行合理设计,提高平台的静刚度及强度;另一方面,对光学平台进行振动隔离设计,即工作状态下通过调平设备将光学平台及光学系统整体支撑并脱离车载底盘,隔断来自载车发动机或油机产生的振动。
1.1 提高光学平台静刚度
光学平台为半开式断面平板类构件,即上平面板和肋板构成,其采用了整体铸造工艺形式,光学平台肋板结构形式如图1所示。提高光学平台的抗弯刚度,根据受力变形计算公式为:公式1。其中,F为平台任意一个单元所受载荷力;L为单元长度;E为材料弹性模量;I为平台截面惯性矩。由式(1)可知,当平台承受单位载荷时,通过减小平台肋板间距、选择高弹性模量材料、增加平台截面惯性矩等方法来提高光学平台的整体抗弯刚度。光学平台与光学系统设备之间的接触刚度对平台整体刚度产生一定影响。影响接触面刚度的因素有材料、硬度、几何形状和表面粗糙度等。因此,光学平台的材料选用QT700-2,其刚性好,硬度达到HBS220;光学系统各分机设备安装面平面度达到0.05,粗糙度达到3.2;使得设备安装接触面更好的接触,从而提高平台的整体刚度。
图1车载光学平台肋板结构示意图
1.2 提高光学平台强度
影响光学平台强度的因素主要包括结合键、组织、结构、原子本性等。光学平台的材料为球墨铸铁,其有较高的强度,平台铸造完成后可以通过热处理改变组织结构来提高其强度。光学平台的横梁纵梁交错处进行倒圆角处理并合理设计开孔位置及其尺寸,尽量消除集中应力的发生,防止在运输过程中受到振动、冲击、交变载荷作用下,应力集中处首先达到屈服强度极限而破坏。
1.3 振动隔离设计
在光学平台底部安装四个高精度机电式调平支腿,当光学系统工作时,光学平台升起并脱离载车底盘,隔断由发动机或油机产生的振动。调平支腿分布情况,直接影响光学平台所受弯矩的大小,根据力学计算,当支腿轴心线距光学平台边缘1000mm时,光学平台所受弯矩较小且不与载车干涉。利用UG软件建立光学平台数学模型,如图2所示。
图2车载光学平台数学模型
2、车载光学平台优化设计
利用ANSYS对车载光学平台三维数模进行静态分析和模态分析。通过静态分析观察光学平台的应变情况,通过模态分析得到光学平台各阶固有频率及振型,从而确定车载光学平台的优化设计方案。车载光学平台初步建模时,总质量为6t,尺寸为4300×2300×250mm,光学平台上表面承载整套光学系统设备,质量约5.5t,利用四个调平支腿支撑光学平台及光学系统。通过有限元静力学分析获得静态应变结果,如图3所示。光学平台模态分析获得前三阶模态结果;前三阶振型如图4~图6所示。
图3车载光学平台静态应变图;图4车载光学平台一阶振型;图5车载光学平台二阶振型;
图6车载光学平台三阶振型
静态应变图结果显示,车载光学平台产生的最大应变量为0.18mm;三阶振型图结果显示,光学平台的前三阶固有频率均处于0~200Hz的工作频率带内,一阶共有频率为110.36Hz,二阶固有频率为114.87Hz,三阶固有频率为157.95Hz。故对车载光学平台进行优化设计,提高光学平台的刚度及其固有频率。单自由度系统固有频率的计算公式为:公式2式中,K为系统的静态刚度;ρ为系统的固有频率;m为系统的质量。由式(2)可知,结构刚度越大、质量越小,系统的固有频率越高。提高刚度的方法是将光学平台的“井”字型肋板改为“米”字型;“米”字型肋板单位质量弯曲刚度是井字型肋板的1.5倍,这样可以有效提升光学平台的刚度。减重设计的方法是在光学平台所受应力较小的区域减小肋板数量和壁厚,在侧壁及肋板设计减重孔。改善后的车载光学平台数模如图7所示。
结构优化之后的车载光学平台通过静态分析、模态分析,静态应变情况如图8所示。前三阶振型如图9~图11所示。静态应变结果显示,光学平台的最大应变量减少为0.099mm,整体刚度显著提高;由于高精密光学系统允许总体光路角度偏差不大于60",通过计算,光学平台的应变带来的光路角度误差为10.3",故满足设计要求。前三阶振型结果显示,一阶固有频率为143.75Hz,二阶固有频率为159.09Hz,三阶固有频率为202.12Hz,表明光学平台固有频率明显提高。
图7优化后车载光学平台数学模型;图8优化后车载光学平台静态应变;图9优化后车载光学平台一阶振型;
图10优化后车载光学平台二阶振型;图11优化后车载光学平台三阶振型
3、跑车试验
高精密光学系统能否稳定工作与车载光学平台的稳定性密不可分。因此,对载车进行了500km跑车试验,试验结束后,测试光学平台标定点无明显位移偏差,同时光学平台升起调平检测光路无明显角度偏差,测试结果表明,车载光学平台仿真分析结果基本正确,光学平台具有良好的稳定性。
4、结论
车载光学平台具有良好的静态刚度,保证光学系统的光路无明显角度偏差,为其提供了良好的稳定工作平台;车载光学平台在0~200Hz工作频带内具有较高的固有频率,即一阶固有频率为143.75Hz,二阶固有频率为159.09Hz,三阶固有频率为202.12Hz,保证光学系统在运输过程中减少受到冲击、振动的影响。该车载光学平台为高精密光学系统提供了一个良好的工作环境,实现了高精密光学系统在车载平台上的工程化应用,为今后的研究设计打下良好基础。
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