劉建華，張雷，柳鳴，劉永志，姜會林

（1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 科學(xué)技術(shù)處，長春 130022；3.吉林恒睿光電科技有限公司，130022；4.火箭軍駐天津地區(qū)軍事代表室，300308）

目前高強度電子對抗條件下，單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)作為未來理想步兵戰(zhàn)斗武器，具有夜視功能、距離探測、瞄準(zhǔn)點自動裝表等功能，以其精準(zhǔn)裝表并快速瞄射的優(yōu)良性能被廣泛應(yīng)用于反恐領(lǐng)域[1]。某XXX型步兵武器火控設(shè)備檢測系統(tǒng)針對步兵武器火控的彈道裝表結(jié)算精度、測距精度、槍口角的測角精度等參數(shù)進行檢測，系統(tǒng)基于角運動仿真思想，采用俯仰回轉(zhuǎn)臺模擬單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)進行瞄準(zhǔn)射擊姿態(tài)時的槍口角，并采用有限元仿真分析驗證俯仰回轉(zhuǎn)臺在靶場使用環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性以及結(jié)構(gòu)可靠性。

1 俯仰回轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

俯仰轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1。

俯仰回轉(zhuǎn)臺設(shè)計基于封閉倒掛式U形框架結(jié)構(gòu)，剛性高，結(jié)構(gòu)緊湊。原動機采用力矩電機，位置反饋采用光電編碼器。俯仰回轉(zhuǎn)臺由力矩電機、電機支撐架、俯仰軸系、倒U型載物臺、機械止擋與電器限位、基座等組成，如圖1所示。

圖1 俯仰回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成

基座負擔(dān)著整個回轉(zhuǎn)臺的質(zhì)量，由高強度以及一定的減振特性的灰口鑄鐵鑄造加工而成，可以在一定程度上隔絕底面帶來的振動影響[2]。底座兩側(cè)立耳裝有一對7010CDB角接觸軸承，采用背對背配置成對的角接觸軸承作為滾動支撐，其承受傾覆力矩的性能好，角接觸軸承可承受雙向軸向載荷以及一定的徑向負載[3]，軸承的接觸角線沿回轉(zhuǎn)軸線方向擴散，可增加其徑向和軸向的支承角度剛性，使其抗變形能力最大化，螺紋壓圈提供了軸向的預(yù)緊力。倒U形載物臺承載單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)沿俯仰方向上下回轉(zhuǎn)，用以仿真單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)進行瞄準(zhǔn)射擊姿態(tài)時的槍口角。

2 俯仰回轉(zhuǎn)臺機械整機結(jié)構(gòu)特性分析

2.1 有限元模型的建立

建立有限元網(wǎng)格模型是進行有限元分析的基礎(chǔ)和前提。首先對俯仰回轉(zhuǎn)臺的三維模型進行一定程度的化簡，清除模型中的攻絲孔、邊倒圓以及不影響結(jié)構(gòu)剛度的復(fù)雜環(huán)節(jié)。前處理中采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分與手動網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方案，在不影響求解精度的前提下，對非關(guān)鍵環(huán)節(jié)選用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分出稀疏的網(wǎng)格群，以降低計算難度提高計算效率。對應(yīng)力集中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)都采取手動劃分高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，為保證分析精度，結(jié)構(gòu)精細處的均布置兩層以上的網(wǎng)格。在Hypermesh中對俯仰回轉(zhuǎn)臺進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，共劃分80487個網(wǎng)格單元，其中雅各比＜0.7的網(wǎng)格的占比小于4%，高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格占總網(wǎng)格數(shù)量的86.5%。

圖2 前處理網(wǎng)格劃分

有限元分析中，零部件之間的裝配關(guān)系的模擬將直接影響計算誤差和仿真精度。本文中的俯仰回轉(zhuǎn)臺的裝配關(guān)系主要為以下兩種情況。

（1）螺釘緊固裝配關(guān)系的模擬

在有限元分析中，螺栓的預(yù)緊屬于經(jīng)典的非線性計算范疇，實際情況的螺栓連接關(guān)系中，螺釘?shù)穆輻U還受到切向方向的剪切力，而且螺栓連接處存在滑動摩擦力，這些因素的都將使得計算過于復(fù)雜，但是對于整機分析精度的影響確是微乎其微的，所以在線形有限元分析中，為了減少這種不必要的復(fù)雜計算，本文對螺栓緊固裝配關(guān)系進行了等效簡化處理：采用螺栓相連處的節(jié)點對互耦的方式模擬這種連接關(guān)系[4-7]。

（2）軸承環(huán)節(jié)的模擬

在基座左右立耳和連接軸間對應(yīng)的節(jié)點處建立一維剛體單元群（MPC），對應(yīng)節(jié)點對除了俯仰回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動自由度外在其余的五個自由度上進行耦合，不影響連接位移關(guān)系并使得左右半軸可以自由回轉(zhuǎn)，采用這種方式模擬軸承的回轉(zhuǎn)運動。軸承的模擬環(huán)節(jié)如圖3所示。

圖3 軸承環(huán)節(jié)的模擬

俯仰回轉(zhuǎn)基座由灰口鑄鐵鑄造而成；倒U形載物臺由鋁合洗削制成；左右半軸由40Cr鋼材車削加工而成；承受負載的零件的材料均為45號鋼；轉(zhuǎn)接件的材料均為硬鋁合金。轉(zhuǎn)臺所用材質(zhì)的屬性參數(shù)如表2所示。

表2 材料屬性參數(shù)表

俯仰回轉(zhuǎn)臺是通過十六個螺栓連接在平臺上，在螺釘連接點建立六個自由度均為零的位移約束，如上圖2所示，作為后續(xù)分析的約束條件。

2.2 熱變形分析

在轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用左右軸系單端放開單端固結(jié)的方法如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)方式可以有效減小基座、左右半軸和軸承座線漲系數(shù)不同導(dǎo)致的軸承預(yù)緊力過大或者過小的情況。

圖4 減小線脹系數(shù)引起的溫度應(yīng)力設(shè)計

技術(shù)指標(biāo)中要求俯仰回轉(zhuǎn)臺的工作溫度為負40℃至60℃，則將平均室溫20℃作為參考溫度，對俯仰轉(zhuǎn)臺有限元模型施加40℃（-40℃～20℃/20℃～60℃）的溫差載荷，圖5為有限元分析后的俯仰轉(zhuǎn)臺的位移云圖。

圖5 40℃溫度負載下的位移云圖

從圖5的位移云圖中可以觀察得：在溫度負載下轉(zhuǎn)臺的最大位移出現(xiàn)在載物臺面的右上角，其位移量為0.276mm。從位移云圖中還可以得出：40℃溫差載荷下，軸承處的裝配尺寸漂移范圍在0.147mm至0.166mm。根據(jù)【精密儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊】中“角接觸球軸承或圓錐滾子軸承的軸向游隙：0.05～0.20mm（根據(jù)轉(zhuǎn)速、載荷等來確定）”的裝配標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，可見單端放開單端固結(jié)的設(shè)計方法使得俯仰回轉(zhuǎn)臺軸向游隙滿足安裝要求，即軸承安裝的預(yù)緊力與軸向游隙亦不會出現(xiàn)過大或過小不利情況。

2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于求解結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型，其實質(zhì)是求解外載荷為零時動力學(xué)方程的特征值，通過特征值反應(yīng)結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型[10]。為了保證俯仰回轉(zhuǎn)臺具有穩(wěn)固的動態(tài)剛度，轉(zhuǎn)臺的固有頻率是設(shè)計過程中重要的參考指標(biāo)，且動力學(xué)響應(yīng)分析中，頻率響應(yīng)、諧響應(yīng)分析的振型均可由自然頻率疊加組成得出，所以模態(tài)分析也是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。在Patran中選擇分塊蘭索斯法求解特征值以及特征向量[11]，通過Nastran求解器反復(fù)迭代后，計算得出俯仰臺1-6階自然頻率如表3所示，1-6階的模態(tài)振型見圖6。

圖6 俯仰轉(zhuǎn)臺前六階模態(tài)振型

分析結(jié)果表明：俯仰轉(zhuǎn)臺的一階頻率模態(tài)出現(xiàn)在188.26Hz且無密頻現(xiàn)象；某靶場提供的功率譜密度中低頻干擾出現(xiàn)在15HZ至62HZ，可見俯仰回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，結(jié)構(gòu)動態(tài)性能優(yōu)良，有效規(guī)避了靶場試驗中的振動干擾。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進一步分析轉(zhuǎn)臺的頻率響應(yīng)特性。

表3 六階自然頻率

2.4 頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)分析的目的是計算結(jié)構(gòu)在某些頻率下的響應(yīng)值同頻率間的關(guān)系曲線[12-15]。通過對結(jié)構(gòu)進行頻率響應(yīng)分析，能夠求得表征其動態(tài)響應(yīng)的重要參數(shù)：結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，從而得到振動激勵下相應(yīng)特征點的響應(yīng)位移、響應(yīng)應(yīng)力等。

已知火控設(shè)備內(nèi)置的角度傳感器的分辨率為10′，在載物臺面上的火控設(shè)備質(zhì)心空間位置處建立等效節(jié)點。在轉(zhuǎn)臺與基座螺栓連接處施加豎直方向1g的加速度激勵，設(shè)置激勵的振動頻率為50～100Hz，在該頻率場下分析計算等效質(zhì)點的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)。

進行分析參數(shù)的設(shè)置：在“Solution Type”中選擇分析類型為頻率響應(yīng)分析“FREQUENCY RESPONSE”，選擇“Formulation”為直接法“Direct”進行求解，并設(shè)定結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)為0.05，設(shè)定頻率步長為50HZ來進行峰值相應(yīng)的預(yù)測。如圖7所示。在完成分析參數(shù)的設(shè)置后，將模型提交給MSC.Nastran進行運算，生成分析的結(jié)果文件。

圖7 頻率響應(yīng)求解過程

分析該等效質(zhì)量點在頻率場中的俯仰晃動量，判斷該值與被測火控設(shè)備的測角傳感器的分辨率的大小，已知其分辨率為10′，在俯仰回轉(zhuǎn)臺基座底面螺栓固定處設(shè)置垂直方向的加速度激勵源，激勵的頻率范圍從20HZ至200HZ，步進頻率為5Hz，將單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的火控設(shè)備定義為一個質(zhì)量單元（MASS），該質(zhì)量元的節(jié)點號為376485，采用一位剛體將質(zhì)量元與載物臺面固接，根據(jù)表3可知，俯仰回轉(zhuǎn)臺的基頻模態(tài)為188.26Hz，計算質(zhì)量元376485號節(jié)點在基頻模態(tài)188Hz下的位移響應(yīng)，在Nastran中選擇模態(tài)疊加法計算位移響應(yīng)。圖8為俯仰回轉(zhuǎn)臺的位移響應(yīng)云圖，質(zhì)量元的位移響應(yīng)曲線如圖9所示，由圖9可得，376485號節(jié)點的垂直位移響應(yīng)量為0.12mm，且該質(zhì)量元的距離火控設(shè)備的回轉(zhuǎn)軸線的距離為10.18cm，即火控設(shè)備的等效質(zhì)量元的俯仰晃動量為4.05′，由于火控的測角傳感器的分辨率為10′，所以，在200Hz內(nèi)頻率場下并不會對檢測系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

圖8 位移響應(yīng)云圖

圖9 等效質(zhì)量元的位移響應(yīng)

3 掃描特征振動試驗

對俯仰回轉(zhuǎn)臺進行動力學(xué)實驗，通過掃頻實驗可以考核結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性以及有限元分析的準(zhǔn)確度。實驗振動臺在豎直方向?qū)Ω┭龌剞D(zhuǎn)臺施加正弦振動，振動特征實驗參數(shù)如表4所示。在載物臺面放置多個傳感器，實驗裝置與測試現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 垂直向掃描振動特征實驗現(xiàn)場

表4 掃頻實驗條件

掃頻實驗過程中，重點關(guān)注在在物臺面上的中心處（火控設(shè)備安裝位置）的傳感器8處的響應(yīng)曲線，得到響應(yīng)曲線如圖11所示：

圖11 傳感器的響應(yīng)曲線

從響應(yīng)曲線中得到：俯仰回轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)頻率是188.26Hz，和表2中自然頻率表一階頻率相比，轉(zhuǎn)臺的模態(tài)分析的誤差為5.6%。從掃頻特征實驗的結(jié)果可知：有限元分析前處理中構(gòu)建的有限元計算模型以及等效環(huán)節(jié)的模擬較比接近真實結(jié)構(gòu)，所設(shè)置0.05的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)基本準(zhǔn)確，分析結(jié)果相對可靠，亦可將該構(gòu)建方法應(yīng)用到其他轉(zhuǎn)臺的分析校核中。

4 結(jié)論

本文首先依據(jù)技術(shù)指標(biāo)完成了槍口角俯仰回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后通過有限元分析方法模擬仿真應(yīng)用場景存在微震動激勵的野外靶場工況，分析得到槍口角俯仰回轉(zhuǎn)臺所負載的火控設(shè)備等效質(zhì)心的垂直跳動量小于其分辨率，即確保了設(shè)計的結(jié)構(gòu)可靠性，保證了其槍口角的模擬精度。文章最后通過掃頻實驗考核了結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，使得俯仰回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計構(gòu)成閉環(huán)。