【文章內(nèi)容簡介】 ........... 38 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的設(shè)計變量 38 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法 38 優(yōu)化升降機構(gòu)的撐桿的截面尺寸 39 小結(jié) 41 結(jié) 論 .................................................................................................................................. 42 參考文獻 .................................................................................................................................. 44 攻讀學(xué)士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成就 .............................................................. 45 致 謝 .................................................................................................................................. 46 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題的來源、背景和意義 課題來源 本論文課題研究來源于國防某軍事雷達項目，主要是研究 “車載雷達天線升降機構(gòu)力學(xué)分析 ”中的內(nèi)容。 課題背景及意義 在當(dāng)今世界整體和平，局部摩擦沖突，甚至小規(guī)模 戰(zhàn)爭的大環(huán)境下，國家間利益與主權(quán)的重疊和沖突，在未來勢必會爆發(fā)小規(guī)模沖突或戰(zhàn)爭，然而電子信息戰(zhàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中作為取得勝負的先決條件，發(fā)揮著舉足輕重的作用。車載雷達以其機動性能好，在復(fù)雜的環(huán)境和地域的條件下，基本不受到限制，快速的反應(yīng)能力，在軍事偵察以及情報收集被廣泛應(yīng)用，由于現(xiàn)代國家對于電子對抗戰(zhàn)越來越重視并且大力發(fā)展其信息對抗能力，外來軍事的電子干擾和監(jiān)測正干擾著地面車載雷達的正常工作，隱身性能的提升，反雷達導(dǎo)彈，超低空突防的威脅。車載雷達以其優(yōu)良的機動性能，快速展開與撤收，并滿足公路運輸?shù)臈l件，勢必會大大 提高其戰(zhàn)爭中的生存能力，是有效面對敵對威脅的技術(shù)手段，也是今后世界軍事雷達發(fā)展的大勢所趨。 天線升降機構(gòu)是雷達系統(tǒng)的重要承重組件，要在不同環(huán)境下，天線車進入陣地之后，快速將天線組件舉升到高處，進入工作狀態(tài)，撤收后能將天線組件收回。 有限元法及 ANSYS 有限元是一種專門求解偏微分方程的數(shù)值計算方法，有一定的一般性和實用性 [1]，并且很容易被推廣和接受，所以，自從有限元方法誕生以來，關(guān)于有限元方面的研究理論和一些實踐的應(yīng)用上都取得了長足的發(fā)展 [2]。 現(xiàn)在，有限元方法已經(jīng)變成為了工程實踐和科學(xué)研究等領(lǐng) 域的一項必不可少的分析方法和手段 [3]。 20 世紀(jì) 60 年以后，計算機科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和極其廣泛的應(yīng)用，有限元法得到突飛猛進的發(fā)展 [4]。 現(xiàn)在所用的 ANSYS 帶有了直接可以操作的 GUI（可以顯示圖形）工作界面，整個命令菜單，工具欄和對話框等，這些功能與過去的版本相比已經(jīng)有很大的進步了。在航空航天領(lǐng)域、汽車制造領(lǐng)域、以及核工程領(lǐng)域等，你都能發(fā)現(xiàn) ANSYS 已經(jīng)被深入的應(yīng)用于這些行業(yè)之中。只有先透徹地理解有限元法的理論精髓和它的優(yōu)缺點，工程技術(shù)人哈爾濱工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 員才能更好地使用 ANSYS 等軟件解決一些實際的工程問題。 在很多操作 系統(tǒng)和計算機中都能運行 ANSYS 軟件，包含個人電腦和大型計算機，ANSYS 軟件的兼容性極好，可以在同類產(chǎn)品和工作平臺運行其文件。多物理耦合的功能是 ANSYS 的一個十分重要的功能，這一特性能讓它在相同的模型上進行不同種類的耦合計算，這大大方便了工程技術(shù)人員的實際使用和操作。并且， ANSYS 可以和大多數(shù) CAD軟件相結(jié)合起來應(yīng)用，做到圖形及其他相關(guān)文件的共享，這是現(xiàn)代軟件設(shè)計的一個重要要求。 當(dāng)然 ANSYS 軟件還提供一個可以改進的清單，可以幫助進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等 [5]。 升降機的發(fā)展 升降機是屬于一個歷史范 疇的概念，在十九世紀(jì)九十年代前，那時人類還沒有發(fā)明電梯，在那個時候載人或者載物的升降裝置，就叫做升降機。 當(dāng)然，在距離我們很遠的時代，即原始的和簡單的升降工具，應(yīng)該叫做絞車。 自從電梯被發(fā)明以后，在這期間一百多年內(nèi)，兩大類升降設(shè)備：電梯和起重機，一直處于不斷地發(fā)展與改進之中。升降機逐步發(fā)展為電梯，當(dāng)然也逐漸發(fā)展成了起重機等。 現(xiàn)在的升降機都朝向起重機類方向發(fā)展，主要包括曲線施工升降機、鋼索式液壓提升裝置、施工升降機、簡易升降機、升降作業(yè)平臺和高空作業(yè)車等 [6]。這些都屬于升降機一般所包含的范疇。 第一部分：升 降機狹義所包含的范圍，主要是施工升降機和簡易升降機 [6]。 第二部分：大致是屬于電梯范圍內(nèi)的，主要是雜物電梯 、自動人行道和特殊類型的電梯，主要包括特殊類型電梯中的傾斜電梯和通用的樓梯電梯，當(dāng)然也包括家庭電梯 —準(zhǔn)確地說它屬于住宅電梯范疇，而且住宅電梯也是乘客電梯中的一種。 第三部分：其他的升降設(shè)備，包括礦井電梯（也可以叫做礦井提升機）、短程穿梭系統(tǒng)和單軌交通 [6]。 當(dāng)今社會，升降機仍然是一種非常重要的升降設(shè)備，現(xiàn)在最大的問題 就是升降機的安全問題，很多新聞報導(dǎo)過此類事故的發(fā)生，因此要對此類問題進行警惕和非常大 地關(guān)注。 升降機在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 據(jù)研究表明，中國已經(jīng)成為了全球升降機最大的市場，具體來說就是中國已經(jīng)成為世界上最大的升降機生產(chǎn)基地，并且擁有者最多的升降機 [6]。 當(dāng)今，隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的突飛猛進，我國所年產(chǎn)升降機數(shù)量屢第 1 章 緒論 3 創(chuàng)新高，并且產(chǎn)品質(zhì)量也獲得了國際市場的認可。巨大的生產(chǎn)力和良好的質(zhì)量，不僅能夠滿足國內(nèi)對各種升降機構(gòu)的需求，同時可以外銷到國際市場。 升降機所擁有的巨大潛力市場幾乎引起了所有全世界升降機企業(yè)的空前關(guān)注。近年來，中國出臺了一系列的調(diào)控政策，就是為了使得升降機市場更加 規(guī)范，更加具有競爭力 。 升降機行業(yè)在中國的發(fā)展取得了前所未有的成就，產(chǎn)品數(shù)量也突飛猛進 。 然而由于中國地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的不平衡性，升降機行業(yè)的發(fā)展就體現(xiàn)出了明顯的不均勻性。一些工業(yè)較為發(fā)達的地區(qū)例如華東和華南地區(qū)，已經(jīng)成為了中國升降機行業(yè)的制造中心。 而在 近 20 年，在世界范圍類，升降機行業(yè)發(fā)生了巨大的變化。 機動升降機和全固定升降機產(chǎn)品的快速發(fā)展，原有的產(chǎn)品和市場的格局已經(jīng)被打破，在經(jīng)濟快速的發(fā)展下和市場機制的作用下，造成了世界升降機構(gòu)這一行業(yè)更加趨于一體化。 升降機的主要生產(chǎn)國是美國、日本、德國、法國、意大利等。 美國是工程升降機的主要生產(chǎn)國，又是世界上最大的市場之一，然而日本和德國在技術(shù)和實力上的崛起，使得美國在全球市場的整體占有率受到?jīng)_擊 [7]。 當(dāng)今世界，由于各種工程的需要，升降機的需求量越來越大，因此其前景與市場是不可估量的， 但是由于各國對其市場的愈加重視，未來在升降機行業(yè)必然會更加具有競爭力。 升降機構(gòu)的分類 目前升降機構(gòu)通常所采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式主要有套缸式、剪叉式、桁架套疊式和導(dǎo)軌式三種方式 [6]。 套缸式通常使用在載荷比較小 和計算結(jié)果精度要求不是太高的情況下的場所。如果作用載荷相對比較大或者舉 升的高度比較高時，這時套缸的直徑太小的話，整個機構(gòu)就會產(chǎn)生一個非常大的左右擺動，安全性達不到要求。 然而 ，要保證套缸式升降機構(gòu)的剛性就必須增大套缸的直徑 ，這時，液壓油的用量和升降機構(gòu)的本身的自重就會太大，這不利于 公路 機動運輸。套缸式升降機如圖 所示： 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 圖 套缸式升降機 桁架套疊式也是一種經(jīng)常使用的升降機構(gòu)，在機動的運輸中也會經(jīng)常的使用。然而主要的缺點是升降機構(gòu)舉升到較大地高度時，如果想要保證擺動的結(jié)構(gòu)復(fù)雜精度，特別是導(dǎo)向部分難度是非常大的，花費的成本也會很高。而且，如果要達到舉升 25 米的升降高度 ，所需要的升降機構(gòu)的節(jié)數(shù)比較多，因此這些節(jié)該進行怎樣的合理布局也會顯得相當(dāng)困難。 桁架式升降機構(gòu)如圖 所示： 圖 桁架式升降機 第 1 章 緒論 5 剪叉式結(jié)構(gòu)在升降機構(gòu)中可以說是應(yīng)用的最廣泛的一種升降機構(gòu)，在固定的和機動方面應(yīng)用的都是非常普遍的。 其有很多的優(yōu)點，主要是結(jié)構(gòu)相對來說是比較簡單的，而且升降速度是非常迅速的，一般就能達到 5~10 米 /分鐘。而且，國內(nèi)目前所采用的普遍是十六米以下的升降機構(gòu)，如果超過了這個高度，那么在對升降機構(gòu)進行加工的精度和工藝水平就有非常高的要求。 剪叉式升降機構(gòu)如圖 所示 ： 圖 剪叉式升降機構(gòu) 此外經(jīng)常在樓層中和一些商場里面，其他升降機構(gòu)也是很普遍的，例如：導(dǎo)軌式升降機和傾斜電梯。 導(dǎo)軌式升降機構(gòu)如圖 所示： 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 導(dǎo)軌式升降機構(gòu) 傾斜電梯如圖 所示 圖 傾斜電梯 本篇論文的主要工作 本篇論文主要是對雷達天線 升降機構(gòu)進行有限元分析，這其中涉及平均風(fēng)速的定義，風(fēng)載荷的計算 、 加載 的 模擬和對幾何實體結(jié)構(gòu) ——升降機構(gòu)有限 元建模，并應(yīng)用ANSYS 軟件來對雷達天線升降機構(gòu)進行靜力學(xué)分析 。并討論此升降機構(gòu)的舉升能力 、水平方向的位移、垂直方向 的沉降量和 總體設(shè)計的合理性， 并且 根據(jù)結(jié)果開進行優(yōu)化設(shè)第 1 章 緒論 7 計。 雷達天線升降機構(gòu)有限元分析過程大致如下 [8]： 概括本篇論文的主要工作可歸納如下： 第 一 步：介紹一下風(fēng)的基本特性，以及平均風(fēng)的概念，不考慮脈動風(fēng)，把風(fēng)作為一種靜載荷看待施加于結(jié)構(gòu)之上。了解相關(guān)的風(fēng)載荷計算公式，以及風(fēng)載荷系數(shù)的定義和取值，特別是風(fēng)壓計算公式。通過公式 對風(fēng)載荷進行可操作性的實現(xiàn)。為后面的風(fēng)載荷加載做好充足的準(zhǔn)備。 第 二 步：在對機構(gòu)進行建模之前，要深入學(xué)習(xí) ANSYS 軟件的操作，特別是對如何網(wǎng)格劃分問題進行探討，還有自定義截面梁單元的選取，以及結(jié)點的約束問題即是梁與梁之間的連接問題，都至關(guān)重要。并以雷達天線升降機構(gòu)建模為例，應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)，使整個建模的約束和網(wǎng)格問題都得到解決，為后面的分析打好堅實的基礎(chǔ)。 第 三 步：利用 ANSYS 軟件，對雷達升降機構(gòu)進 行有限元分析 。 主要是進行靜態(tài)分析 ， 然后 對結(jié)果進行評估， 做 出相應(yīng)的評價 并給出實際 建議。 第 四 步：對優(yōu)化的理論和方 法進行適當(dāng)?shù)挠懻?，并以升降機構(gòu)為對象，探討其舉升能力和剛度，判斷所得結(jié)果的合理性。哈爾濱工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 2 章 隨機風(fēng)載荷 引言 自然風(fēng)是一種隨機載荷，無論是在露天條件下工作的任何機器設(shè)備，都會受到一定的風(fēng)載荷的作用 [9]。由于經(jīng)常工作在野外，雷達天線升降機構(gòu)除了受到天線重力載荷和自重以外，風(fēng)載荷也是一種不可忽視的外載荷。特別是在計算強度，剛度，穩(wěn)定性時，隨機風(fēng)載荷是必須作為一種外載荷來考慮的。而且風(fēng)載荷會引起整個雷達升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形和沉降，如果變形位移過大會直接影響整個雷達的正常工作，由風(fēng)導(dǎo)致的事故是風(fēng)載荷造成整體 的翻轉(zhuǎn)或者局部失穩(wěn)變形，因此在整個計算模擬過程中，風(fēng)載荷是必須考慮的載荷，其影響是不可避免的另一重要因素。 而在對雷達升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)進行一定范圍的定性分析時，就要找到一種風(fēng)載荷模擬的方式來進行結(jié)構(gòu)加載，而要使風(fēng)載荷模擬的形式在實際真實的機構(gòu)設(shè)計中計算使用，這就必須要求模擬的風(fēng)載荷盡可能的滿足和適合自然風(fēng)的一些特性，并且在適用范圍上要滿足有效性和普適性。 風(fēng)的基本特性 風(fēng)的概述 風(fēng)是由平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分組成，時間長周期部分，通常持續(xù)在十分鐘以上，時間短周期部分，一般持續(xù)只有幾秒左右，換種說 法就是分為平均風(fēng)和脈動風(fēng)二個不同的部分分析 [10]。風(fēng)是一種流體，但密度是比較小的，是一種動載荷。 平均風(fēng)是一種相對穩(wěn)定地風(fēng)，可以看作是一種靜態(tài)力作用，而脈動風(fēng)是一種瞬時陣風(fēng)，變化周期不規(guī)則，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊力作用，強大地脈動風(fēng)也會對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大地影響，有時計算除了考慮風(fēng)的靜力作用還要考慮沖擊力的作用。 然而，對于剛度很大的雷達天線升降機構(gòu)，脈動風(fēng)的動力作用影響很小，因此只需考慮平均風(fēng)靜力加載作用，對于剛度較小的其他結(jié)構(gòu)，例如：天線等，風(fēng)的動力作用是必須計算的。 風(fēng)載荷的形成 不考慮地球表面空 氣 團自身的重力，也不考慮空氣團與地面的摩擦力，大氣層可以近似看 作 很多密度不同的層流層，由于這些分層的相對流動產(chǎn)生了風(fēng)，物體表面所受到的風(fēng)力是由壓差阻力和摩擦阻力組成的 [11]。 第 2 章 隨機風(fēng)載荷 9 由于空氣作為流體具有一定的粘性，在物體表面附近邊界層各流層之間的粘滯力叫做摩擦力。對于整體流線型的結(jié)構(gòu)，壓差阻力相對較小，主要考慮摩擦阻力，而對于非流線型結(jié)構(gòu)，摩擦阻力比壓差阻力相對小的多，所以主要考慮壓差阻力。因此，雷達天線升降機構(gòu)主要受到壓差阻力的作用。 風(fēng)載荷的作用 風(fēng)向 空氣質(zhì)量流速方向稱為風(fēng)。如果空氣由東 面吹來那就稱為東方風(fēng)。風(fēng)向能由風(fēng)向標(biāo)（一種圍繞立軸旋轉(zhuǎn)的金屬片）表示儀器指示，而且，從葉片和主軸承的固定棒位置之間可觀察到的風(fēng)。 事實上，在一些相對重要的場合和環(huán)境中，風(fēng)向和風(fēng)速可在精密儀器同時使用時，連續(xù)測量并記錄。 風(fēng)速的測量 測量風(fēng)速的儀表可以大致分為三類：旋轉(zhuǎn)式測量，壓力式測量和其他方式 [12]。 最常用的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速表是風(fēng)懷式風(fēng)速表。這種風(fēng)速表的內(nèi)部組成是三個風(fēng)杯與轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子是由短軸連接組成，風(fēng)杯和轉(zhuǎn)子繞著球軸承旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸下部驅(qū)動一個被包圍在定子中的多極永磁體 [12]。 指示器測出隨風(fēng)速 變化的電壓，顯示出對應(yīng)的風(fēng)速值。當(dāng)風(fēng)速達 1~2 m/s 時，風(fēng)懷式風(fēng)速表就可以啟動。風(fēng)速由 10m/s 突然變到 20m/s 時，風(fēng)速計記錄到的響應(yīng)時間 大約是 ,此外還有微型多葉片風(fēng)力機的的壓力風(fēng)速表 [12]。 壓力式風(fēng)速表中，在現(xiàn)代最常用是皮托管。皮托管的發(fā)明者是法國工程師 Hri Pitot。皮托管是由兩部分組成：總壓探頭和靜止探頭，利用流動空氣的總壓（滯止壓力）與靜壓之差，即動壓來測量風(fēng)速。 其他方式，例如有熱線風(fēng)速儀等。 風(fēng)的作用 雷達天線升降機構(gòu)在承受到風(fēng)的作用之后，不但在迎 風(fēng)方向產(chǎn)生風(fēng)力的作用，而和其相互垂直的橫向上，也產(chǎn)生風(fēng)力的作用，還會產(chǎn)生風(fēng)力矩，這是風(fēng)作為一種載荷有區(qū)別于其他載荷的特征。 如圖 所示： 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 迎風(fēng)方向風(fēng)速 ——平均風(fēng)速 圖 一般情況下，升降機構(gòu)在受到風(fēng)力的作用，橫向風(fēng)力的作用效果大概只有迎風(fēng)所受力的作用的四分之一，因此，橫向風(fēng)力影響作用較小，可以不加考慮。 風(fēng)載荷的計算 因垂直剪叉構(gòu)件長度方向的表面受風(fēng)面積比平行剪叉構(gòu)件的受風(fēng)面積大，所以風(fēng)載荷大，此方向為雷達天線升降機構(gòu)抗翻轉(zhuǎn)能力最薄弱的面。作用在升降機構(gòu)的風(fēng)載荷與風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值 ，基本風(fēng)壓，受風(fēng)面積（即升降