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現(xiàn)代光電經(jīng)緯儀具有實(shí)時測量、高精度、自動跟蹤監(jiān)控和易于圖像再現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、武器試驗(yàn)、大地測量等科研和軍事領(lǐng)域。隨著我國國防事業(yè)的發(fā)展，經(jīng)緯儀在靶場上的應(yīng)用也越來越多，主要完成試驗(yàn)中目標(biāo)外彈道、航跡、姿態(tài)及攔截脫靶量測量。而經(jīng)緯儀跟蹤架的結(jié)構(gòu)形式又直接影響著經(jīng)緯儀的精度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)上，設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，往往是憑借經(jīng)驗(yàn)確定某一參數(shù)，為了保證安全，通常選取較大的安全系數(shù)，這不僅使得經(jīng)緯儀顯得比較笨重而且增加了對載車剛度的要求和伺服控制的難度。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元分析理論的完善，將有限元分析技術(shù)融入結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成為一種新的趨勢。本研究主要針對經(jīng)緯儀的地平式跟蹤架進(jìn)行有限元分析，計算靜態(tài)載荷下的跟蹤架變形，并分析其對經(jīng)緯儀精度的影響與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較。
有限元分析的基本思想是將物體(即連續(xù)的求解域)離散成有限個且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合，來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的一種數(shù)值分析法。物體被離散后，通過對其中各個單元進(jìn)行單元分析，最終得到對整個物體的分析。有限元分析的基本步驟是：結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析。結(jié)構(gòu)離散后的每一個單元都是具有四個角點(diǎn)ｉ、ｊ、ｍ、ｐ的四面體，如圖所示。
經(jīng)緯儀跟蹤架的誤差主要有軸系晃動、垂直軸傾斜、橫軸差等，它們都在不同程度上影響著經(jīng)緯儀的測量精度。下面針對經(jīng)緯儀的跟蹤架進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)構(gòu)變形對跟蹤架誤差的影響，并與檢測結(jié)果進(jìn)行比較。
經(jīng)緯儀跟蹤架如圖所示。該跟蹤架主要由左、右立柱，左、右軸，左軸承組件(徑向)，右軸承組件(止推)，四通，手動機(jī)構(gòu)，停擋機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺，基座，止推軸承環(huán)組件，抗扭薄膜組件，垂直軸組件，調(diào)平機(jī)構(gòu)，底座，頂起機(jī)構(gòu)，承載圈以及方位、俯仰力矩電機(jī)，方位、俯仰編碼器組成。正鏡時，四通上方承載監(jiān)視電視，質(zhì)量約30 kg，四通中間承載測量電視，質(zhì)量約為40 kg，四通下方安裝電控箱，配重后質(zhì)量約為30 kg。
首先，根據(jù)經(jīng)緯儀跟蹤架受力狀態(tài)將跟蹤架進(jìn)行簡化。略去力矩電機(jī)、編碼器、手動機(jī)構(gòu)、停擋機(jī)構(gòu)、頂起機(jī)構(gòu)、承載圈、抗扭薄膜組件，各密封蓋板以及各電器元件。同時將各復(fù)雜鑄件模型進(jìn)行簡化，略去螺紋孔及對網(wǎng)格化不利的圓角、倒角等。簡化后的跟蹤架模型如圖所示。
然后，根據(jù)經(jīng)緯儀跟蹤架工作狀態(tài)將簡化后的跟蹤架模型進(jìn)行約束并定義各零件的接觸、接合形式，同時定義各零件的材料屬性。將各軸承組件定義為軸承形式，將垂直軸系中的止推軸承環(huán)組件定義為摩擦系數(shù)很小的摩擦副，其余各零件間均定義為剛性連接。由于經(jīng)緯儀配重后各傳感器統(tǒng)一為重心在四通中心的一個負(fù)載，所以將負(fù)載簡化為一個質(zhì)量為150 kg的形狀和四通內(nèi)孔一致的實(shí)體，以剛性連接與四通接合。
通過對經(jīng)緯儀跟蹤架的模擬分析可以看出有限元仿真計算的結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果基本趨于一致。對類似這種負(fù)載集中在四通上的跟蹤架類型，總裝時對于橫軸差的修配可以故意將水平軸系止推環(huán)一側(cè)的轉(zhuǎn)臺刮底，這樣可以補(bǔ)償加載變形后總橫軸差。
將有限元分析技術(shù)融入結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以通過模擬建模、分析，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕系統(tǒng)的質(zhì)量，同時還可以提高系統(tǒng)的諧振頻率，具有重要意義。
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