微型高精密惯导测试转台结构设计及力学分析_周丽阳.pdf

惯导测试转台在航空航天领域有重要作用，是模拟、测试、仿真等的关键设备。文中基于用户需求，提出一种转台的轻量化设计方法，运用UG软件实现建模和优化，并进行有限元分析，结果表明主要零件及结构总体的强度和刚度均满足设计要求。同时，该转台的前6阶频率在555.44 Hz和1534.7 Hz之间，满足共振频率450Hz的要求。在飞行器微型化的趋势下，该微型高精密惯导测试转台的设计方法可为类似产品的设计提供参考。关键词：惯导测试转台；结构设计；静力学分析；模态分析中图分类号：V241.62+2文献标识码：A文章编号：10085300(2023)03001104Structural Design and Mechanical Analysis of Micro High PrecisionInertial Navigation Test TurntableZHOU Liyang,GU Libin,CHEN Chaopeng,ZHAO Xuanrong(The 20th Research Institute of CETC,Xian 710068,China)Abstract:Inertial navigation test turntables play an important role in the field of aerospace and space,andare the key equipment for simulation,testing and simulation.In this paper,a lightweight design method ofturntable is proposed based on user needs.UG software is used to model and optimize the turntable,and thefinite element analysis is carried out.The strength and stiffness of the main parts and the overall structuremeet the design requirements.At the same time,the first six order frequency of the turntable is between555.44 Hz and 1534.7 Hz,which meets the requirements that the resonance frequency is greater than or equalto 450 Hz.With the trend of aircraft miniaturization,the design method of the micro high precision inertialnavigation test turntable provides a reference for the design of similar products.Key words:inertial navigation test turntable;structural design;statics analysis;modal analysis引言微型高精密惯导测试转台（以下简称“转台”）在航空航天领域应用广泛，是模拟导弹、卫星、飞机等的姿态、速度、加速度等的重要设备12。转台的作用是带动负载进行高精度旋转运动，模拟飞行器的制导系统和控制系统及其相应器件的运动姿态，获取试验数据，并对其更新改进，以提升飞行器总体设计的性能指标3。转台性能的优劣直接关系到仿真试验的可靠性和可信度，是保证航空航天型号产品和武器系统的精度和性能的基础45。随着航空航天技术的迅猛发展，特别是在世界各国对军事制空权的争夺日益激烈的今天，导航和制导设备的精度要求不断提高，惯导测试与仿真设备的指标要求（如高精度、高频响、低转速、宽调速等）也更加苛刻6。目前，国内很多研究机构和高校也在从事转台的研发，研制出了许多不同形式不同用途的转台。但是，在相同结构刚度下，国内产品自重大、承受载荷较小，且加工周期长，装配精度难以保证，为转台的小型化和系列化设计带来很大困难。因此，轻质量、高刚度和高精度成为转台研制需要解决的关键问题。本文从用户需求出发，根据指标要求设计了一种微型高精密转台。运用UG软件建立转台的三维模型，对转台的受力和轴系精度进行分析，再利用有限元软件对转台的静力学和模态进行了分析计算。该转台具有质量轻、精度高、可靠性高等优点，能够满足强度和刚度的使用要求，为后续类似转台的设计提供了参考。1转台结构设计1.1转台的主要技术指标该转台要求具有单轴电控旋转功能，需要长时间在低温、低压和臭氧辐射环境下可靠工作，同时需要大*收稿日期：2022111911结构设计2023年6月幅减小尺寸和重量，其主要技术指标见表1。表 1转台主要技术指标指标名称参数转角范围/()0 360转角速度/()s1)0.5 30转台质量/g61000负载质量/g3000转台共振频率/Hz450水平调整剩余误差/()10角位置定位精度/()6201.2转台总体结构设计转台系统由精密转台和伺服控制组成，本文在传统转台的设计基础上进行改进设计，主要研究转台总体结构，主要包括力矩电机、交叉滚子轴承、圆光栅等，如图1所示。止挡架止挡柱轴承压板轴承转轴力矩电机惯导接口板压线板 光栅安装架 圆光栅基座(a)转台三维模型(b)转台二维模型图 1转台总体结构方案转台采用力矩电机直接驱动，该传动方式效率高，摩擦损耗小，体积小，重量轻，易保证转台的谐振频率及伺服系统稳定性7。该转台采用圆光栅作为测角传感器，具有精度高、动态性好、抗干扰强等优点。转台工作时，转轴与圆光栅一同转动，读数头固定在基座上位置不变，通过光栅和读数头的光相干涉产生叠栅条纹，根据叠栅条纹移动的数量完成对圆光栅的角度测量811。另外，使用回转精度高的交叉滚子轴承保证转台转动精度，交叉滚子轴承不但安装操作简单，轴向尺寸小，节约安装空间，而且可以承受较大的轴向和径向载荷12。1.3转台主要零件设计转台结构件主要有基座、转轴、光栅安装轴、轴承压板、读数头调整板、惯导接口板、止挡柱等。基座采用高强度铝合金机加而成，结构如图2（a）所示。转轴（图2（b）是转台的动力输出轴，为电机的转子和轴承内圈提供安装接口和定位基准，并通过螺栓连接和惯导接口板（图2（c）带动负载在一定范围内运动。光栅安装轴（图2（d）采用不锈钢机加而成，为光栅传感器提供安装平台，并通过精加工精度和装配完成后径向跳动的调整来保证转台的回转精度。(a)基座(b)转轴(c)惯导接口板(d)光栅安装轴图 2转台主要零件1.4转台驱动校核转台安装在舱内，所受载荷主要有惯性载荷、摩擦载荷和静不平衡载荷，转台驱动总力矩计算公式如下：M=Mi+Mf+Ms式中：M为总载荷；Mi为惯性载荷；Mf为摩擦载荷；Ms为静不平衡载荷，Ms产生的主要原因是转台重心与转轴存在偏差。Mi，Mf和Ms的计算公式分别为：Mi=JMf=GrMs=Grsin式中：J为转动惯量；为角加速度；为滑动摩擦系数；G为载荷；r为轴承半径；r为重心到转轴的偏差距离；为最大倾覆角度。因此：M=Mi+Mf+Ms=0.06+0.0008+0.18 0.24Nm总载荷的计算为后续电机的选型提供了依据。1.5轴系精度分析由转台工作原理和装配经验可知，影响转台轴系精度的主要因素是调整剩余误差和角位置定位精度。1.5.1调整剩余误差调整剩余误差包括轴承晃动误差和调平误差两部分。轴承晃动误差取决于轴承的精度，调平误差取决于所用测量设备的精度、天线座的结构刚度和测量方法的精确度。12第39卷第3期周丽阳，等：微型高精密惯导测试转台结构设计及力学分析结构设计（1）轴承晃动误差交叉滚子轴承RB5008UUCC0P2的精度为P2级，轴向跳动误差小于2.5m，轴承外径为66 mm。轴承晃动误差1=arctan0.002566 3600 7.8。（2）调平误差采用HYQ03型自准直仪设备（精度为106rad）测量调平误差2，2 1.03。因此，调整剩余误差=21+22=7.86，满足610的指标要求。1.5.2角位置定位精度测角传感器采用雷尼绍公司的宽温度范围绝对式光栅RESA30USA052B，采用1个读数头，型号为RA26BEA115B10F，系统精度1可达5.49，伺服控制精度2预估为10。综合系统精度=21+22=11.4，满足620的指标要求。2转台的力学分析随着有限元理论分析和计算机软硬件的快速发展，以有限元分析软件结合优化算法的结构仿真得到了广泛应用。在设计中借助有限元分析手段，通过对机械结构施加载荷和约束条件可以使结构体受载后的应力变形及动力特性显性化，从而可以有针对性地评估、修改和优化模型，达到提高设计效率、优化产品结构、缩短研发周期的目的13。2.1转台有限元模型的建立建立有限元模型的过程是将连续的几何体划分为有限个几何单元，在理解工况的基础上，对分析对象重新建模，简化和忽略对计算结果影响较小的因素，在保证模型整体结构准确性的同时，提高分析效率。2.1.1模型简化由于转台模型较复杂，在进行有限元分析前，需对其进行简化，如删除一些小的倒角和圆角，忽略结构件不重要区域以及一些细小的结构造型，同时将轴承、电机、光栅等外购件等效为等质量、密度和形状的刚体，然后再导入ANSYS Workbench中进行分析。2.1.2材料与接触类型选择几何建模完成后需对各个零件进行材料设置，转台主要由自制件和外购件组成。自制件中的基座、转轴、底盖和读数头安装板等部件的材料为高强度铝合金70506T，光栅安装轴为06Cr19Ni10不锈钢（SUS304）。各材料的性能参数如表2所示。外购件如电机、轴承及负载等按照质量和刚度的等效原则，采用等质量密度的材料代替。仿真分析时将电机、轴承及负载等设定为刚体属性，不考虑其变形。表 2材料性能参数参数70506T06Cr19Ni10抗拉强度/MPa275520延伸率/%240弹性模量/GPa70194材料密度/(kgm3)2.7 1037.8 103泊松比0.30.3转台建模采用的是UG软件，需要在ANSYSWorkbench中重新定义各零件之间的连接方式。转台采用Bonded和Frictional两种接触方式模拟各零件间的接触，Bonded接触用来模拟零件间的螺栓固定连接，Frictional接触用来模拟零件间的摩擦接触。2.1.3网格划分网格划分的优劣直接影响后续静力学模态分析的效率、精度及收敛性。本文采用四面体实体网格进行划分，划分方法为Tetrahedrons，网格生长方式为Patch Independent。2.2转台的减重设计机载平台对设备重量的要求极为严苛，因此本文在转台各零件的减重设计上进行了详细核算。各零件的接口均采用梅花状异型法兰设计，降低了转台高度，节约了安装空间。利用有限元仿真和实际工程经验对所有零件进行减重孔与加强筋相结合的设计，根据力学分析结果在受力较大的位置增加加强筋，在受力较小的位置进行去材或挖减重孔，这样不断迭代改进，在减重的同时保证强度和刚度满足要求。力学分析按峰值加速度150 m/s2加载，经过多次分析和三维建模迭代后，最终转台主要零件的应力分布如图3所示。基座、转轴、光栅安装轴和惯导接口板的应力分别为60.95 MPa、29.54 MPa、30.24 MPa和50.24 MPa，相较于材料275 MPa的抗拉强度，安全系数均在4倍以上，满足设计要求。(a)基座(b)转轴(c)光栅安装轴(d)惯导接口板图 3转台主要零件力学分析受篇幅限制，转台各零件重量在此不做赘述。最终转台总质量为994.2 g，满足61000g的指标要求。13结构设计2023年6月2.3转台静力学分析良好的静态特性是保证转台轴系精度和平稳转动的基础。在静力学分析时，根据实际情况在转台基座底面添加固定约束，在惯导接口板添加重力载荷，转台承受负载的质量为3000 g，最大加速度为15g。转台的整体变形和等效应力如图4所示。(a)整体变形(b)等效应力图 4转台静力学分析结果由图4可知，转台的最大应力和应变分别为68 MPa和0.2 mm，且应力和应变较大的部位都集中在惯导接口板处，其他零件受力较小，可以忽略不计。惯导接口板的抗拉强度为275 MPa，安全系数在4倍左右，强度满足设计要求。2.4转台模态分析模态是结构的固有属性，每一阶模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析是为了识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析以及结构动力特性的优化设计提供依据。对转台进行模态分析可以获得其固有特性（固有频率和振型），有助于优化设计，确保转台能够满足频率响应要求。在基座底面施加固定约束，计算6阶固有频率和对应振幅，如图5所示。(a)1阶振幅(b)2阶振幅(c)3阶振幅(d)4阶振幅(e)5阶振幅(f)6阶振幅图 5转台模态分析结果转台前6阶模态的计算结果如表3所示。模态频率均大于450 Hz，满足设计要求，且均为转台整体的振动，设计合理。表 3转台模态计算结果模态阶数模态频率/Hz模态振型1555.44上下摆动2577.68左右摆动3645.47前后摆动4672.08上下摆动51312.00前后摆动61534.70从内向外摆动3结束语本文以微型高精密惯导测试转台的研制为背景，进行了单轴转台总体结构设计，并通过有限元法对转台进行了静力学和模态分析。具体工作包括：1）分析技术指标，对转台进行整体结构设计和主要零件减重设计；2）计算转台的主要载荷并进行轴系精度分析；3）运用ANSYS软件对转台进行静力学分析，得到转台结构的应力和应变分布；4）对转台进行模态分析，得到转台结构的固有频率和振型。分析结果满足技术指标的要求。转台的实际结构复杂，因此还需积累更多经验，采取更多方法提高转台强度、刚度和轴系精度。后续可根据装配和调试的实际情况，对转台内部尺寸进行优化，进一步提高各项性能指标。参 考 文 献1 宋强.三自由度转台控制规律研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012:12.2 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