摘　要: 利用ANSYS软件对车载升降桅杆进行模态分析, 计算桅杆的前11 阶固有频率及振型, 开展了车载升降桅杆振动频率特性测试, 获得了模拟负载下、车辆安装实际环境下的试验数据; 将工程分析情况与试验测试结果作了对比验证, 结果表明, 两者的最大偏差为7. 8%, 符合性比较好. 另外, 通过调整车载升降桅杆材料、桅杆升起总高度,桅杆横截面面积, 讨论了车载升降桅杆参数的改变对桅杆振动特性的影响. 该模态分析和测试是车载升降桅杆结构优化设计、桅杆光电系统伺服控制和桅杆进一步动力学分析的基础.

关键词: 车载升降桅杆; 模态分析; 固有频率; 振型

引　言

　　车载升降桅杆的振动特性是影响整个升降观测系统性能的重要因素. 要保障系统观测效果, 就需要研究车载升降桅杆的固有频率、振型和动态响应特性, 避免谐振现象发生, 以便于进行伺服控制设计, 通过有效稳像等手段来保障车载升降桅杆式观测系统的性能.

1. 桅杆系统模型

　　车载升降桅杆系统模型如图1 所示. 针对某车载升降式光电观测设备的设计要求, 研制了一种能承载200 kg, 最大可升高至10 m 的车载式升降桅杆,升降桅杆由7 节铝型材组成, 每节铝型材横截面为空心矩形截面, 光电观瞄系统安装在桅杆顶部, 桅杆底部固定在坦克上. 分析了其固有频率和振型, 讨论了桅杆结构形状和材料特性的改变对其振动特性的影响, 并开展了实际测试和对比.

2.桅杆模态分析

2. 1 桅杆力学性能参数

　　材料, 铝合金; 弹性模量EX , 70 GPa; 泊松比, 0.3; 密度 , 2. 7 * 103 kg/ m3 .

2. 2 桅杆横截面参数及单元选择

　　如图2 所示, 车载升降桅杆的横截面形状为空心矩形, 左右和上下对称.

　　该车载升降桅杆由7节铝型材组成, 升至最高位置, 各节参数尺寸如表1 所示.

2. 3 桅杆网格划分

　　选择ANSYS 软件作为模态分析软件, 选择自定义横截面尺寸的梁单元BEAM189 为车载升降桅杆网格划分单元类型.

　　桅杆升到最高后, 将实体模型简化为7 个截面梁, 假设7 个不同截面梁在接合处刚性连接, 第1 节梁固定在坦克上, 整个桅杆可以看作一个变截面悬臂梁. 车载升降桅杆由7 节不同截面的梁, 再加上接合处的6节不同截面的短梁共13 节截面梁组成. 装在桅杆顶部的光电系统作为集中质量元( 200 kg) 施加在桅杆顶部. 对车载升降桅杆进行网格划分后的有限元模型( 按梁大小和形状显示) 如图3 所示.

2. 4 桅杆模态求解

　　设M 为单元质量矩阵;K 为单元刚度矩阵; ,∀为结点位移和加速度向量.

　　当车载升降桅杆处于自由振动状态时,不考虑阻尼作用,桅杆的模态分析方程为:

　　利用ANSYS 软件来求解模态分析方程. 在ANSYS 求解器中, 分析类型选模态分析, 模态提取法选Block Lanczo s 法, 提取前11 阶模态, 求解后从ANSYS 后处理器中得到桅杆前11 阶固有频率如表2 所示.

3. 桅杆试验测试

　　试验使用模态分析仪, 通过锤击法进行, 传感器装在车载升降桅杆顶部来测试桅杆的响应曲线. 设坦克向前为+ X 轴方向, 向左为+ Y 轴方向, 向上为+ Z 轴方向, 测试出功率谱密度( g2 / Hz) 随频率的响应曲线分别如图4, 图5 和图6 所示( 其中G1 为桅杆底部激振源曲线, G2, G3 为桅杆顶部响应曲线) .

　　从图4 可见, 在100 Hz 范围内, 30 Hz, 42 Hz,58 Hz, 98 Hz 点附近存在局部功率谱密度峰值, 说明这些点是车载升降桅杆X 方向的固有频率响应点.

　　从图5 可见, 在100 Hz 范围内, 18 Hz, 72 Hz点附近存在局部功率谱密度峰值, 说明这2 点是Y方向的固有频率响应点.

　　同样地, 从图6 可见, 在100 Hz 范围内, 38 Hz,90 Hz 点附近存在局部功率谱密度峰值, 说明这2点是Z方向的固有频率响应点.

4. 工程分析与试验结果的比较

　　比较试验测试结果与ANSYS 仿真分析结果,车载升降桅杆的第5 阶频率32. 328 Hz 和试验测试频率30Hz 对应, 在该频率下的振动模态如图7 所示.

　　车载升降桅杆的第6 阶频率40. 056 H z 和试验测试频率42 Hz 对应, 在该频率下的振动模态如图8 所示.

　　车载升降桅杆第8 阶频率74. 706 Hz 和试验测试频率72 Hz 比较接近, 在该频率下振动模态如图9 所示.车载升降桅杆第10 阶频率88. 145 Hz 和试验测试频率90Hz 对应, 在该频率下振动模态如图10 所示.

　　车载升降桅杆模态分析得到的固有频率和对应的试验测试频率的对比如表3所示. 可见, AN SYS 分析结果与测试结果的最大绝对误差为2. 7 Hz, 最大相对误差为7. 8% , 这说明车载升降桅杆模态分析结果和试验测试结果很吻合.

5.　桅杆参数改变对其固有频率的影响

5. 1　桅杆材料特性的影响

　　把桅杆材料改为碳素钢, 其材料的力学性能参数为，

其它参数不变, 重新进行模态分析后提取的前3 阶故有频率的对比如表4 所示. 可见, 桅杆最低固有频率从1.38 Hz 提高到2.07 Hz, 对应的前3 阶频率都提高了.

5. 2　桅杆升起高度的影响

　　每节桅杆少升起0.5 m, 其它参数不变, 进行模态分析后提取前三阶固有频率的对比如表5 所示.可见, 当桅杆的升起高度降低时, 桅杆最低固有频率为2.78 Hz, 对应的前3阶频率都提高了.

5. 3　桅杆横截面面积的影响

　　桅杆横截面厚度减少4mm, 其它参数不变, 模态分析后提取前3阶频率对比如表6所示. 当桅杆横截面的面积减小时, 桅杆最低固有频率从1.38Hz 提高到1.92 Hz, 对应前3阶频率都提高了.

6.　结束语

　　将升降桅杆模态分析结果与试验测试结果进行了比较, 明确了桅杆在试验测试频率下对应的特征振型, 也证明利用ANSYS 软件进行模态分析是非常有效的. 最后分析了桅杆材料和结构参数的改变对桅杆振动特性的影响. 这为桅杆系统的谐响应分析等进一步动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据. 因此可有目的地通过改变和优化桅杆参数, 提高桅杆特征频率, 防止共振和自激振荡的发生, 便于伺服稳像, 从而提高桅杆顶部光电系统的工作性能和稳瞄稳像精度.

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