雷达天线升降机构力学分析毕业论文(编辑修改稿)

雷达天线升降机构力学分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

........... 38 结构优化中的设计变量 38 结构优化设计的方法 38 优化升降机构的撑杆的截面尺寸 39 小结 41 结 论 .................................................................................................................................. 42 参考文献 .................................................................................................................................. 44 攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成就 .............................................................. 45 致 谢 .................................................................................................................................. 46 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 课题的来源、背景和意义 课题来源 本论文课题研究来源于国防某军事雷达项目，主要是研究 “车载雷达天线升降机构力学分析 ”中的内容。 课题背景及意义 在当今世界整体和平，局部摩擦冲突，甚至小规模 战争的大环境下，国家间利益与主权的重叠和冲突，在未来势必会爆发小规模冲突或战争，然而电子信息战在现代战争中作为取得胜负的先决条件，发挥着举足轻重的作用。 车载雷达以其机动性能好，在复杂的环境和地域的条件下，基本不受到限制，快速的反应能力，在军事侦察以及情报收集被广泛应用，由于现代国家对于电子对抗战越来越重视并且大力发展其信息对抗能力，外来军事的电子干扰和监测正干扰着地面车载雷达的正常工作，隐身性能的提升，反雷达导弹，超低空突防的威胁。 车载雷达以其优良的机动性能，快速展开与撤收，并满足公路运输的条件，势必会大大 提高其战争中的生存能力，是有效面对敌对威胁的技术手段，也是今后世界军事雷达发展的大势所趋。 天线升降机构是雷达系统的重要承重组件，要在不同环境下，天线车进入阵地之后，快速将天线组件举升到高处，进入工作状态，撤收后能将天线组件收回。 有限元法及 ANSYS 有限元是一种专门求解偏微分方程的数值计算方法，有一定的一般性和实用性 [1]，并且很容易被推广和接受，所以，自从有限元方法诞生以来，关于有限元方面的研究理论和一些实践的应用上都取得了长足的发展 [2]。 现在，有限元方法已经变成为了工程实践和科学研究等领 域的一项必不可少的分析方法和手段 [3]。 20 世纪 60 年以后，计算机科学技术的快速发展和极其广泛的应用，有限元法得到突飞猛进的发展 [4]。 现在所用的 ANSYS 带有了直接可以操作的 GUI（可以显示图形）工作界面，整个命令菜单，工具栏和对话框等，这些功能与过去的版本相比已经有很大的进步了。 在航空航天领域、汽车制造领域、以及核工程领域等，你都能发现 ANSYS 已经被深入的应用于这些行业之中。 只有先透彻地理解有限元法的理论精髓和它的优缺点，工程技术人哈尔滨工程大学学士学位论文 2 员才能更好地使用 ANSYS 等软件解决一些实际的工程问题。 在很多操作 系统和计算机中都能运行 ANSYS 软件，包含个人电脑和大型计算机，ANSYS 软件的兼容性极好，可以在同类产品和工作平台运行其文件。 多物理耦合的功能是 ANSYS 的一个十分重要的功能，这一特性能让它在相同的模型上进行不同种类的耦合计算，这大大方便了工程技术人员的实际使用和操作。 并且， ANSYS 可以和大多数 CAD软件相结合起来应用，做到图形及其他相关文件的共享，这是现代软件设计的一个重要要求。 当然 ANSYS 软件还提供一个可以改进的清单，可以帮助进行结构优化设计等 [5]。 升降机的发展 升降机是属于一个历史范 畴的概念，在十九世纪九十年代前，那时人类还没有发明电梯，在那个时候载人或者载物的升降装置，就叫做升降机。 当然，在距离我们很远的时代，即原始的和简单的升降工具，应该叫做绞车。 自从电梯被发明以后，在这期间一百多年内，两大类升降设备：电梯和起重机，一直处于不断地发展与改进之中。 升降机逐步发展为电梯，当然也逐渐发展成了起重机等。 现在的升降机都朝向起重机类方向发展，主要包括曲线施工升降机、钢索式液压提升装置、施工升降机、简易升降机、升降作业平台和高空作业车等 [6]。 这些都属于升降机一般所包含的范畴。 第一部分：升 降机狭义所包含的范围，主要是施工升降机和简易升降机 [6]。 第二部分：大致是属于电梯范围内的，主要是杂物电梯 、自动人行道和特殊类型的电梯，主要包括特殊类型电梯中的倾斜电梯和通用的楼梯电梯，当然也包括家庭电梯 —准确地说它属于住宅电梯范畴，而且住宅电梯也是乘客电梯中的一种。 第三部分：其他的升降设备，包括矿井电梯（也可以叫做矿井提升机）、短程穿梭系统和单轨交通 [6]。 当今社会，升降机仍然是一种非常重要的升降设备，现在最大的问题 就是升降机的安全问题，很多新闻报导过此类事故的发生，因此要对此类问题进行警惕和非常大 地关注。 升降机在国内外发展现状 据研究表明，中国已经成为了全球升降机最大的市场，具体来说就是中国已经成为世界上最大的升降机生产基地，并且拥有者最多的升降机 [6]。 当今，随着我国科学技术的发展和生产工艺的突飞猛进，我国所年产升降机数量屡第 1 章 绪论 3 创新高，并且产品质量也获得了国际市场的认可。 巨大的生产力和良好的质量，不仅能够满足国内对各种升降机构的需求，同时可以外销到国际市场。 升降机所拥有的巨大潜力市场几乎引起了所有全世界升降机企业的空前关注。 近年来，中国出台了一系列的调控政策，就是为了使得升降机市场更加 规范，更加具有竞争力。 升降机行业在中国的发展取得了前所未有的成就，产品数量也突飞猛进。 然而由于中国地区经济发展的不平衡性，升降机行业的发展就体现出了明显的不均匀性。 一些工业较为发达的地区例如华东和华南地区，已经成为了中国升降机行业的制造中心。 而在 近 20 年，在世界范围类，升降机行业发生了巨大的变化。 机动升降机和全固定升降机产品的快速发展，原有的产品和市场的格局已经被打破，在经济快速的发展下和市场机制的作用下，造成了世界升降机构这一行业更加趋于一体化。 升降机的主要生产国是美国、日本、德国、法国、意大利等。 美国是工程升降机的主要生产国，又是世界上最大的市场之一，然而日本和德国在技术和实力上的崛起，使得美国在全球市场的整体占有率受到冲击 [7]。 当今世界，由于各种工程的需要，升降机的需求量越来越大，因此其前景与市场是不可估量的， 但是由于各国对其市场的愈加重视，未来在升降机行业必然会更加具有竞争力。 升降机构的分类 目前升降机构通常所采用的结构设计方式主要有套缸式、剪叉式、桁架套叠式和导轨式三种方式 [6]。 套缸式通常使用在载荷比较小 和计算结果精度要求不是太高的情况下的场所。 如果作用载荷相对比较大或者举 升的高度比较高时，这时套缸的直径太小的话，整个机构就会产生一个非常大的左右摆动，安全性达不到要求。 然而 ，要保证套缸式升降机构的刚性就必须增大套缸的直径 ，这时，液压油的用量和升降机构的本身的自重就会太大，这不利于 公路 机动运输。 套缸式升降机如图 所示： 哈尔滨工程大学学士学位论文 4 图 套缸式升降机 桁架套叠式也是一种经常使用的升降机构，在机动的运输中也会经常的使用。 然而主要的缺点是升降机构举升到较大地高度时，如果想要保证摆动的结构复杂精度，特别是导向部分难度是非常大的，花费的成本也会很高。 而且，如果要达到举升 25 米的升降高度 ，所需要的升降机构的节数比较多，因此这些节该进行怎样的合理布局也会显得相当困难。 桁架式升降机构如图 所示： 图 桁架式升降机 第 1 章 绪论 5 剪叉式结构在升降机构中可以说是应用的最广泛的一种升降机构，在固定的和机动方面应用的都是非常普遍的。 其有很多的优点，主要是结构相对来说是比较简单的，而且升降速度是非常迅速的，一般就能达到 5~10 米 /分钟。 而且，国内目前所采用的普遍是十六米以下的升降机构，如果超过了这个高度，那么在对升降机构进行加工的精度和工艺水平就有非常高的要求。 剪叉式升降机构如图 所示 ： 图 剪叉式升降机构 此外经常在楼层中和一些商场里面，其他升降机构也是很普遍的，例如：导轨式升降机和倾斜电梯。 导轨式升降机构如图 所示： 哈尔滨工程大学学士学位论文 6 图 导轨式升降机构 倾斜电梯如图 所示 图 倾斜电梯 本篇论文的主要工作 本篇论文主要是对雷达天线 升降机构进行有限元分析，这其中涉及平均风速的定义，风载荷的计算 、 加载 的 模拟和对几何实体结构 ——升降机构有限 元建模，并应用ANSYS 软件来对雷达天线升降机构进行静力学分析。 并讨论此升降机构的举升能力 、水平方向的位移、垂直方向 的沉降量和 总体设计的合理性， 并且 根据结果开进行优化设第 1 章 绪论 7 计。 雷达天线升降机构有限元分析过程大致如下 [8]： 概括本篇论文的主要工作可归纳如下： 第 一 步：介绍一下风的基本特性，以及平均风的概念，不考虑脉动风，把风作为一种静载荷看待施加于结构之上。 了解相关的风载荷计算公式，以及风载荷系数的定义和取值，特别是风压计算公式。 通过公式 对风载荷进行可操作性的实现。 为后面的风载荷加载做好充足的准备。 第 二 步：在对机构进行建模之前，要深入学习 ANSYS 软件的操作，特别是对如何网格划分问题进行探讨，还有自定义截面梁单元的选取，以及结点的约束问题即是梁与梁之间的连接问题，都至关重要。 并以雷达天线升降机构建模为例，应用相关的技术，使整个建模的约束和网格问题都得到解决，为后面的分析打好坚实的基础。 第 三 步：利用 ANSYS 软件，对雷达升降机构进 行有限元分析。 主要是进行静态分析 ， 然后 对结果进行评估， 做 出相应的评价 并给出实际 建议。 第 四 步：对优化的理论和方 法进行适当的讨论，并以升降机构为对象，探讨其举升能力和刚度，判断所得结果的合理性。 哈尔滨工程大学学士学位论文 8 第 2 章 随机风载荷 引言 自然风是一种随机载荷，无论是在露天条件下工作的任何机器设备，都会受到一定的风载荷的作用 [9]。 由于经常工作在野外，雷达天线升降机构除了受到天线重力载荷和自重以外，风载荷也是一种不可忽视的外载荷。 特别是在计算强度，刚度，稳定性时，随机风载荷是必须作为一种外载荷来考虑的。 而且风载荷会引起整个雷达升降机构的结构变形和沉降，如果变形位移过大会直接影响整个雷达的正常工作，由风导致的事故是风载荷造成整体 的翻转或者局部失稳变形，因此在整个计算模拟过程中，风载荷是必须考虑的载荷，其影响是不可避免的另一重要因素。 而在对雷达升降机构结构进行一定范围的定性分析时，就要找到一种风载荷模拟的方式来进行结构加载，而要使风载荷模拟的形式在实际真实的机构设计中计算使用，这就必须要求模拟的风载荷尽可能的满足和适合自然风的一些特性，并且在适用范围上要满足有效性和普适性。 风的基本特性 风的概述 风是由平均风和脉动风两部分组成，时间长周期部分，通常持续在十分钟以上，时间短周期部分，一般持续只有几秒左右，换种说 法就是分为平均风和脉动风二个不同的部分分析 [10]。 风是一种流体，但密度是比较小的，是一种动载荷。 平均风是一种相对稳定地风，可以看作是一种静态力作用，而脉动风是一种瞬时阵风，变化周期不规则，会对结构产生冲击力作用，强大地脉动风也会对整个结构产生较大地影响，有时计算除了考虑风的静力作用还要考虑冲击力的作用。 然而，对于刚度很大的雷达天线升降机构，脉动风的动力作用影响很小，因此只需考虑平均风静力加载作用，对于刚度较小的其他结构，例如：天线等，风的动力作用是必须计算的。 风载荷的形成 不考虑地球表面空 气 团自身的重力，也不考虑空气团与地面的摩擦力，大气层可以近似看 作 很多密度不同的层流层，由于这些分层的相对流动产生了风，物体表面所受到的风力是由压差阻力和摩擦阻力组成的 [11]。 第 2 章 随机风载荷 9 由于空气作为流体具有一定的粘性，在物体表面附近边界层各流层之间的粘滞力叫做摩擦力。 对于整体流线型的结构，压差阻力相对较小，主要考虑摩擦阻力，而对于非流线型结构，摩擦阻力比压差阻力相对小的多，所以主要考虑压差阻力。 因此，雷达天线升降机构主要受到压差阻力的作用。 风载荷的作用 风向 空气质量流速方向称为风。 如果空气由东 面吹来那就称为东方风。 风向能由风向标（一种围绕立轴旋转的金属片）表示仪器指示，而且，从叶片和主轴承的固定棒位置之间可观察到的风。 事实上，在一些相对重要的场合和环境中，风向和风速可在精密仪器同时使用时，连续测量并记录。 风速的测量 测量风速的仪表可以大致分为三类：旋转式测量，压力式测量和其他方式 [12]。 最常用的旋转式风速表是风怀式风速表。 这种风速表的内部组成是三个风杯与转子，转子是由短轴连接组成，风杯和转子绕着球轴承旋转，转轴下部驱动一个被包围在定子中的多极永磁体 [12]。 指示器测出随风速 变化的电压，显示出对应的风速值。 当风速达 1~2 m/s 时，风怀式风速表就可以启动。 风速由 10m/s 突然变到 20m/s 时，风速计记录到的响应时间 大约是 ,此外还有微型多叶片风力机的的压力风速表 [12]。 压力式风速表中，在现代最常用是皮托管。 皮托管的发明者是法国工程师 Hri Pitot。 皮托管是由两部分组成：总压探头和静止探头，利用流动空气的总压（滞止压力）与静压之差，即动压来测量风速。 其他方式，例如有热线风速仪等。 风的作用 雷达天线升降机构在承受到风的作用之后，不但在迎 风方向产生风力的作用，而和其相互垂直的横向上，也产生风力的作用，还会产生风力矩，这是风作为一种载荷有区别于其他载荷的特征。 如图 所示： 哈尔滨工程大学学士学位论文 10 迎风方向风速 ——平均风速 图 一般情况下，升降机构在受到风力的作用，横向风力的作用效果大概只有迎风所受力的作用的四分之一，因此，横向风力影响作用较小，可以不加考虑。 风载荷的计算 因垂直剪叉构件长度方向的表面受风面积比平行剪叉构件的受风面积大，所以风载荷大，此方向为雷达天线升降机构抗翻转能力最薄弱的面。 作用在升降机构的风载荷与风载荷标准值 ，基本风压，受风面积（即升降。