雷達天線升降機構(gòu)力學(xué)分析畢業(yè)論文

1、<p><b>　　學(xué) 號 </b></p><p><b>　　密 級 </b></p><p>　　哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文</p><p>　　雷達天線升降機構(gòu)力學(xué)分析</p><p><b>　　哈爾濱工程大學(xué)</b></p>&l

2、t;p><b>　　2014年6月</b></p><p><b>　　學(xué) 號 </b></p><p>　　密 級 </p><p>　　雷達天線升降機構(gòu)力學(xué)分析</p><p>　　Mechanical analysis of radar antenna lifti

3、ng mechanism</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本篇論文是以有限元分析方法和隨機風(fēng)載荷為理論基礎(chǔ)，并應(yīng)用ANSYS軟件對雷達天線升降機構(gòu)進行實體建模和力學(xué)分析。根據(jù)分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)的合理性進行判斷和解釋，然后結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的理論，對升降結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。</p><p>　　本文首先介紹了有限元法和

4、ANSYS軟件，然后簡述了風(fēng)的基本特性，特別是對平均風(fēng)進行了重點的描述和討論。并根據(jù)建筑學(xué)概論把風(fēng)轉(zhuǎn)化為風(fēng)載荷，給出了其一般求解公式。在結(jié)構(gòu)有限元建模方面，定義了不同桿件的截面，以及梁單元的選取、劃分網(wǎng)格的技術(shù)，然后利用耦合解決了節(jié)點的鉸接和自由度約束問題。運用ANSYS軟件，對雷達天線升降機構(gòu)建模，并分析在靜態(tài)風(fēng)載荷作用下的水平方向位移、垂直方向的沉降量以及應(yīng)力，對于出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方，加以強化。最后通過運用結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的理論，改變撐

5、桿的截面尺寸，探討其優(yōu)化設(shè)計。分析結(jié)果表明,在風(fēng)載荷作用下，此升降機構(gòu)位移量滿足設(shè)計要求，但是也會出現(xiàn)應(yīng)力集中問題。</p><p>　　關(guān)鍵詞：有限元法；隨機風(fēng)載荷；升降機構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper is based on the theory of finit

6、e element analysis method and stochastic wind load, and using ANSYS software for solid modeling of the radar antenna lifting mechanism and mechanics analysis. According to the analysis results, judge the rationality of t

7、he structure and explain, and combining with the theory of structure optimization design, optimize the lifting structure.</p><p>　　Firstly, this paper introduces the finite element method and ANSYS software,

8、 then, briefly describes the basic features of the wind, especially focuses on the average wind in the description and discussion . And according to the architecture of the wind into the wind load, its general solution f

9、ormula is given. In terms of structure finite element model, the different bar section is defined, as well as the selection of beam element, the grid technology, and then using coupling solves the problem</p><

10、p>　　Keywords: Finite element method; stochastic wind load; lifting mechanism; optimization design</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>

11、　　1.1 課題的來源、背景和意義1</p><p>　　1.1.1 課題來源1</p><p>　　1.1.2 課題背景及意義1</p><p>　　1.2 有限元法及ANSYS1</p><p>　　1.3 升降機的發(fā)展2</p><p>　　1.3.1 升降機在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p>

12、<p>　　1.3.2 升降機構(gòu)的分類3</p><p>　　1.4 本篇論文的主要工作6</p><p>　　第2章 隨機風(fēng)載荷8</p><p><b>　　2.1 引言8</b></p><p>　　2.2 風(fēng)的基本特性8</p><p>　　2.2.1 風(fēng)的概述8&l

13、t;/p><p>　　2.3 風(fēng)載荷的形成8</p><p>　　2.4 風(fēng)載荷的作用9</p><p>　　2.4.1 風(fēng)向9</p><p>　　2.4.2 風(fēng)速的測量9</p><p>　　2.4.3 風(fēng)的作用9</p><p>　　2.5 風(fēng)載荷的計算10</p>

14、<p>　　2.5.1 風(fēng)壓10</p><p>　　2.5.2 風(fēng)載荷系數(shù)11</p><p>　　2.5.3 受風(fēng)面積11</p><p>　　2.6 本章小結(jié)11</p><p>　　第3章 結(jié)構(gòu)有限元建模的基本操作12</p><p><b>　　3.1 前言12</b&g

15、t;</p><p>　　3.2 幾何實體建模的圖元操作12</p><p>　　3.3 有限元建模的原則13</p><p>　　3.3.1 模型簡化原則13</p><p>　　3.3.2 對稱性應(yīng)用原則14</p><p>　　3.4 有限元網(wǎng)格的劃分14</p><p>　　3

16、.4.1 網(wǎng)格劃分方式15</p><p>　　3.4.2 網(wǎng)格劃分控制15</p><p>　　3.4.3 劃分網(wǎng)格的準(zhǔn)則16</p><p>　　3.5 節(jié)點的約束處理—耦合17</p><p><b>　　3.6 小結(jié)18</b></p><p>　　第4章 雷達天線升降機構(gòu)的力

17、學(xué)分析19</p><p><b>　　4.1 引言19</b></p><p>　　4.2 雷達天線升降結(jié)構(gòu)的有限元模型19</p><p>　　4.3 靜態(tài)分析26</p><p>　　4.3.1 8級風(fēng)載荷作用下機構(gòu)的靜態(tài)分析26</p><p>　　4.3.2 10級風(fēng)載荷作用下

18、機構(gòu)的靜態(tài)分析28</p><p>　　4.3.3 12級風(fēng)載荷作用下機構(gòu)的靜態(tài)分析31</p><p>　　4.3.4 討論50 m/s的風(fēng)速下機構(gòu)的靜態(tài)分析34</p><p>　　4.4 升降機構(gòu)的合理性分析37</p><p><b>　　4.5 小結(jié)37</b></p><p>

19、;　　第5章 雷達天線升降機構(gòu)的優(yōu)化38</p><p>　　5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的設(shè)計變量38</p><p>　　5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法38</p><p>　　5.3 優(yōu)化升降機構(gòu)的撐桿的截面尺寸39</p><p><b>　　5.4 小結(jié)41</b></p><p><

20、b>　　結(jié) 論42</b></p><p><b>　　參考文獻44</b></p><p>　　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</p><p><b>　　致 謝46</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b>

21、;</p><p>　　1.1 課題的來源、背景和意義</p><p>　　1.1.1 課題來源</p><p>　　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。</p><p>　　1.1.2 課題背景及意義</p><p>　　在當(dāng)今世界整體和平，局部摩擦沖突，甚至小

22、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。

23、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。</p><p>　　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。</p><p>　　1.2 有限元法及ANSYS</p&g

24、t;<p>　　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]。</p><p>　　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

25、飛猛進的發(fā)展[4]。</p><p>　　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)人員才能更好地使用ANSYS等軟件解決一些實際的工程問題。</p

26、><p>　　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AN

27、SYS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]。</p><p>　　1.3 升降機的發(fā)展</p><p>　　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。</p><p>　　自從電梯被發(fā)明以后

28、，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。</p><p>　　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]。</p>

29、;<p>　　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。</p><p>　　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]。</p><p>　　當(dāng)今社會，升降機

30、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。</p><p>　　1.3.1 升降機在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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]。</p><p>　　當(dāng)

31、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。</p>

32、<p>　　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。</p><p>　　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。&l

33、t;/p><p>　　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。</p><p>　　1.3

34、.2 升降機構(gòu)的分類</p><p>　　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]。</p><p>　　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。</p><p>

35、　　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1.1所示：</p><p>　　圖1.1 套缸式升降機</p><p>　　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

36、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1.2所示：</p><p>　　圖1.2 桁架式升降機</p><p>　　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。</p><p>　　其有很多的

37、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。</p><p>　　剪叉式升降機構(gòu)如圖1.3所示：</p><p>　　圖1.3 剪叉式升降機構(gòu)</p><p>　　此外經(jīng)常在樓層中和一些商場

38、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。</p><p>　　導(dǎo)軌式升降機構(gòu)如圖1.4所示：</p><p>　　圖1.4 導(dǎo)軌式升降機構(gòu)</p><p>　　傾斜電梯如圖1.5所示</p><p><b>　　圖1.5 傾斜電梯</b></p><p>　　1.4 本篇論文

39、的主要工作</p><p>　　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)計。 </p><p>　　雷達天線升降機構(gòu)有限元分析過程大致

40、如下[8]： </p><p>　　概括本篇論文的主要工作可歸納如下：</p><p>　　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

41、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。</p><p>　　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)。</p><p>　　第三步：

42、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。</p><p>　　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。</p><p><b>　　第2章 隨機風(fēng)載荷</b></p><p><b>　　2

43、.1 引言</b></p><p>　　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，

44、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。</p><p>　　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。</p&

45、gt;<p>　　2.2 風(fēng)的基本特性</p><p>　　2.2.1 風(fēng)的概述</p><p>　　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。</p><p>　　平均風(fēng)是一種相對穩(wěn)

46、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。</p><p>　　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。</p><p>　

47、　2.3 風(fēng)載荷的形成</p><p>　　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]。</p><p>　　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

48、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。</p><p>　　2.4 風(fēng)載荷的作用</p><p><b>　　2.4.1 風(fēng)向</b></p><p>　　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

49、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)。</p><p>　　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。</p><p>　　2.4.2 風(fēng)速的測量</p><p>　　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]。</p><p>　　最常用的旋轉(zhuǎn)

50、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]。</p><p>　　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1.3s,此外還有微型多葉片風(fēng)力機的的壓力風(fēng)速表[12]。 <

51、;/p><p>　　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Hcnri 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。</p><p>　　其他方式，例如有熱線風(fēng)速儀等。</p><p>　　2.4.3 風(fēng)的作用</p><p>　　雷達天線升降機構(gòu)在承受

52、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2.1所示： </p><p><b>　　迎風(fēng)方向風(fēng)速</b></p><p><b>　　——平均風(fēng)速</b></p><p><b>　　圖2.1&l

53、t;/b></p><p>　　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。</p><p>　　2.5 風(fēng)載荷的計算</p><p>　　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

54、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（即升降機構(gòu)的尺寸大小和形狀有關(guān)）。因此，升降機構(gòu)所收到的風(fēng)載荷可以由以下公式求得：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，F(xiàn)是風(fēng)載荷；是風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值；S是受風(fēng)面積；是瞬時風(fēng)壓的陣風(fēng)系數(shù)；是局

55、部風(fēng)壓體型系數(shù)；是風(fēng)壓高度變化系數(shù)。</p><p><b>　　2.5.1 風(fēng)壓</b></p><p>　　由于升降機構(gòu)的阻擋，使整個機構(gòu)附近空氣流通受阻，動壓開始下降，靜壓開始升高，整個機構(gòu)的側(cè)面和背面產(chǎn)生局部渦流，靜壓下降和遠處受阻礙的空氣氣流相比，這種靜壓的升高和降低統(tǒng)稱為風(fēng)壓[13]。該壓力是垂直于由風(fēng)壓空氣流動方向的平面。</p><

56、p>　　根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)－壓關(guān)系，風(fēng)的動壓為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中為風(fēng)壓[N/㎡]，ρ為空氣密度[kg/m3]，v為風(fēng)速[m/s]。</p><p>　　由于空氣密度(ρ)重度(r)的關(guān)系為 r=ρ·g, 因此有 ρ=r/g。在(1)中使用這一關(guān)系，得到</p&g

57、t;<p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　此式為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(氣壓為1013 MPa, 溫度為15℃), 空氣重度 r=0.01225 [kN/m3]。重力加速度一般取g=9.8[m/s2], 我們得到基本風(fēng)壓公式：</p><p>　?。╧N/m2） （2-5）</p>&l

58、t;p>　　此公式為用風(fēng)速計算基本風(fēng)壓的一般公式。應(yīng)該指出的是，空氣的密度和重力加速度隨海拔和緯度的變化而發(fā)生改變。一般來說，空氣的密度在較高的海拔上要比在海拔較低的地區(qū)小，即在一樣的風(fēng)速情況下，在相同的溫度下，整個機構(gòu)所產(chǎn)生的風(fēng)壓在海拔高的地區(qū)上比在海拔低的地區(qū)小。</p><p>　　2.5.2 風(fēng)載荷系數(shù)</p><p>　　風(fēng)載荷系數(shù)有：瞬時風(fēng)壓的陣風(fēng)系數(shù)；局部風(fēng)壓體型系數(shù)；

59、風(fēng)壓高度變化系數(shù)。</p><p>　　在此升降機構(gòu)計算中： =1，在迎風(fēng)側(cè)面取值為+0.8，在背風(fēng)側(cè)面取值-0.5，=(0.8+0.5), =1.42。</p><p>　　2.5.3 受風(fēng)面積</p><p>　　受風(fēng)面積一般取認為是垂直于風(fēng)方向的投影面積，此升降結(jié)構(gòu)可以取為投影面積最大的面積，即整個機構(gòu)的平行面積作為受風(fēng)面積S。</p><

60、p>　　因此，在計算風(fēng)載荷時，直接計算受風(fēng)面尺寸的面積即可。</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對風(fēng)的基本特性進行描述，主要研究的是平均風(fēng)，作為一種靜力載荷計算[14]。并介紹了風(fēng)載荷形成的基本原理，以及風(fēng)載荷的作用.其次是介紹各種風(fēng)速的測量，和風(fēng)載荷的計算，并給出了風(fēng)載荷基本通用的計算公式，同時給出了風(fēng)壓的計算和

61、三個風(fēng)載荷系數(shù)的具體取值，為以后章節(jié)施加風(fēng)載時做準(zhǔn)備。</p><p>　　第3章 結(jié)構(gòu)有限元建模的基本操作</p><p><b>　　3.1 前言 </b></p><p>　　實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有限元建模是實現(xiàn)對所要分析實際結(jié)構(gòu)的必要前提。這種方式相對更加智能化，而且充滿了使用者更加自我的判斷。對有限元建模理解不同的人使用同一款有限元軟件來分析同一

62、個結(jié)構(gòu)時，那么分析所得到的結(jié)果可能也不一樣，這就是建模時的區(qū)別所致。因此，如何把一個幾何實體結(jié)構(gòu)進行最合理的有限元建模，顯得是如此的困難和重要。這就要求使用者必須具備一定的數(shù)學(xué)計算基礎(chǔ)，工程問題的實際經(jīng)驗，和熟悉軟件的基本操作，并且要有敏銳的洞察力，合理的判斷能力，對結(jié)構(gòu)做出更合理的建模，滿足其物理特性，同時又滿足一定的計算要求。</p><p>　　在對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進行有限元建模（例如發(fā)動機，飛機機翼，內(nèi)燃機等）

63、分析時，通常會花費大量的人的精力和時間，這也是操作人員非常煩惱的問題。怎樣做到有效，快速，合理地對結(jié)構(gòu)進行有限元建模一直被業(yè)界廣為關(guān)注，也是技術(shù)人員深刻關(guān)切的問題。所以，有限元建模的合理與否是對結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果正確的重中之重。這也是本篇論文能否繼續(xù)與成功的關(guān)鍵所在。</p><p>　　3.2 幾何實體建模的圖元操作</p><p>　　ANSYS提供了幾何實體建模的功能，雖然關(guān)于此功能沒

64、有設(shè)計出非常好操作的GUI操作界面，但是這些功能可以滿足操作者進行有限元分析的要求。使用ANSYS操作進行幾何建模，主要的內(nèi)容包含圖元的基本操作、圖元通用操作和圖元布爾操作。</p><p>　　在通過ANSYS最終建立的有限元模型中，所有的圖元都可以按層次關(guān)系進行分層。各層圖元按層次關(guān)系從低到高依次為[5]：關(guān)鍵點（包括點載荷）；線（包括線載荷）；面（包括面載荷）；體（包括體載荷）；節(jié)點（包括節(jié)點載荷）；網(wǎng)格單

65、元（包括單元載荷）。并且根據(jù)創(chuàng)建幾何模型圖元的順序不同，可以將ANSYS中的幾何建模方式分為兩種基本方式，一個是自上而下建模，另一個是自下而上建模。</p><p>　　自下向上建模即首先定義模型的最低級的圖元即關(guān)鍵點，再依次在關(guān)鍵點上創(chuàng)建線或體，在線上創(chuàng)建體的順序創(chuàng)建幾何模型的建模過程；自上而下建模就是首先創(chuàng)建高級圖元層次，有高級圖元在ANSYS程序的輔助下自動生成低級圖元的幾何模型建模過程。合理地使用兩種建模

66、方法，可以發(fā)揮在ANSYS中建模的效率。另外，ANSYS還提供了很多模型操作的功能，包括布爾運算、拉伸、旋轉(zhuǎn)、復(fù)制等。</p><p>　　關(guān)鍵點是ANSYS有限元模型里最低級的圖元，可以直接創(chuàng)建，也可以通過建立更高級的單元自動生成，在自上而下建模的過程中，首先創(chuàng)建的應(yīng)該是關(guān)鍵點[5]。關(guān)鍵點是空間中的點，關(guān)鍵點還分為普通關(guān)鍵點和硬點。主要有以下方法來創(chuàng)建關(guān)鍵點：通過空間的位置定義關(guān)鍵點；通過線上給定位置定義關(guān)鍵

67、點；通過三點確定圓弧中心定義關(guān)鍵點[5]；通過兩關(guān)鍵點生成關(guān)鍵點；通過節(jié)點定義關(guān)鍵點；計算并移動關(guān)鍵點到交點生成關(guān)鍵點等。線可用于表示幾何模型的邊，可以通過空間坐標(biāo)、關(guān)鍵點的創(chuàng)建，或生成面和體時自動生成。主要由以下操作：由兩關(guān)鍵點創(chuàng)建直線；由三個關(guān)鍵點生成弧線；由圓心和半徑創(chuàng)建圓弧等。面的主要操作主要是由關(guān)鍵點定義面；通過邊界線定義面；倒角面；通過偏移和部分復(fù)制生成面等[5]?；倔w的操作包括：由頂點、邊界定義，由偏移、拉伸生成體。&l

68、t;/p><p>　　3.3 有限元建模的原則</p><p>　　3.3.1 模型簡化原則</p><p>　　車載雷達天線升降機構(gòu)整個實物模型其實是相當(dāng)不簡單的，如果在建立力學(xué)模型的時候，沒有簡化，全部按照實物來，那么在進行機構(gòu)的數(shù)據(jù)的輸入，然后在分析時整個工作量是非常龐大的。當(dāng)然，介于一些實際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，這種做法幾乎是不可能實現(xiàn)的，也不是必要的。根據(jù)于實際工程經(jīng)驗

69、，簡化實物結(jié)構(gòu)后再進行建立有限元的模型，得到的計算結(jié)果與實物測試結(jié)果誤差在實際工程可接受的范圍之內(nèi)，所以這種簡化是值得接受和認同的。例如本篇論文所要分析的車載雷達天線升降機構(gòu)，其升降機構(gòu)采用的是七級剪叉式結(jié)構(gòu)組合，各個支架之間的連接點是十分復(fù)雜的，基本上都是鉸接，對于此種情況的超靜定結(jié)構(gòu)基本節(jié)點在簡化都按照鉸接處理進行耦合，整個結(jié)構(gòu)就簡化為梁單元組成。</p><p>　　怎樣簡化實物機構(gòu)，建立有限元模型，基本上

70、沒有什么可以遵循的原則和規(guī)律，并且這方面也很少有人做，只是書上一些簡約的建議性的指導(dǎo)，無法給我們在對實際機構(gòu)進行建模的有用的指導(dǎo)，特別是分析相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[15]。因此，在實際建模中只有憑借工程技術(shù)人員進行切實的實際判斷，然后對模型進行合理的簡化，才能建立有效地力學(xué)模型。不可否認，長期解決此類問題并積累豐厚經(jīng)驗的技術(shù)人員，在面對同一類型或者相似結(jié)構(gòu)的時候，能夠憑借大腦中積累的經(jīng)驗，做出合理的判斷。</p><p>

71、;　　因為實物機構(gòu)往往是復(fù)雜的，建立有限元模型的時候有些細節(jié)性的問題一定要忽略，例如一些焊縫、墊片、圓弧角等。當(dāng)然，這些細節(jié)不是盲目的忽略，有些對整個問題的研究幾乎沒有什么影響是可以不考慮的。如果細節(jié)和載荷的施加有關(guān)，或者跟約束相關(guān)，是不可以不考慮的。但是現(xiàn)在也沒有這方面的準(zhǔn)則，遇到這種問題就應(yīng)該根據(jù)實際機構(gòu)和目標(biāo)所求，進行實際詳細地分析和研究。</p><p>　　當(dāng)其他兩個尺寸遠遠小于另外一個尺寸時，那么這個

72、結(jié)構(gòu)就可以看作成桿件結(jié)構(gòu)，這種三維實體簡化方式叫做減維，這也是進行有限元建模的一種比較實用的手段。雷達天線升降機構(gòu)的支架和撐桿就可以看作是梁，有軸力作用，也有彎矩和剪力的作用，可以用梁單元進行處理。</p><p>　　在實際的工程應(yīng)用機構(gòu)中，通常采用梁單元去分析剛架機構(gòu)，而采用桿單元去分析桁架機構(gòu)，若要計算剪應(yīng)力及彎矩等，可以采用梁單元進行模擬。那么梁究竟是怎么定義的也沒有太固定的標(biāo)準(zhǔn)，通常認為其在某一個方向的

73、尺寸與另二個方向的最大尺寸的比值大于等于5時，就認為這種桿件為梁。這些簡化的處理會在我們建立有限元分析模型的時候給予我們莫大的幫助，是處理復(fù)雜機構(gòu)的計算模型的行之有效的原則。</p><p>　　3.3.2 對稱性應(yīng)用原則</p><p>　　對稱性是廣泛存在于在各種結(jié)構(gòu)中的，存在完全對稱的結(jié)構(gòu)只需要把整體結(jié)構(gòu)的一部分繞某個中心點、軸線或平面進行旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作，就能夠得到整體結(jié)構(gòu)，而不改

74、變整體結(jié)構(gòu)的約束和物理條件，整體特征不變。</p><p>　　在ANSYS建模中，可以利用對稱性直接進行復(fù)制等，大大減少了工作量，對稱包含了對稱約束，對稱邊界條件和對稱載荷等[5]。對稱約束是指在對稱的節(jié)點具有相同的物理條件；對稱邊界條件包含在應(yīng)用中可以使用的對稱或反對稱的邊界條件，在結(jié)構(gòu)分析中，對一個平面內(nèi)的節(jié)點定義對稱或反對稱邊界約束條件，可以對這個平面內(nèi)的節(jié)點施加三個自由度方向的約束；對于對稱載荷施加對稱

75、或反對稱邊界條件可以將載荷對稱地或反對稱地施加到相應(yīng)的節(jié)點上[5]。</p><p>　　對稱或反對稱邊界條件的設(shè)置方式包括如下三種：節(jié)點對稱設(shè)置；線對稱設(shè)置；面對稱設(shè)置。</p><p>　　由于結(jié)構(gòu)對稱性的應(yīng)用，可以減少建模時的工作量和整個模型的計算量，但是前提是正確合理的應(yīng)用結(jié)構(gòu)的對稱性，不然很可能會對計算結(jié)果產(chǎn)生誤差影響。</p><p>　　3.4 有限元

76、網(wǎng)格的劃分</p><p>　　劃分網(wǎng)格是實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型的關(guān)鍵性的一步，并且有限元建模主要指的是劃分網(wǎng)格[5]。力學(xué)模型的網(wǎng)格雖然沒有固定的方式，但是網(wǎng)格的劃分的好與壞會直接影響結(jié)構(gòu)在ANSYS中的分析結(jié)果，這是必須加以重視和商討的一點。</p><p>　　ANSYS對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，生成節(jié)點和網(wǎng)格單元的操作，從整體上看包括三個步驟：定義單元屬性；設(shè)置網(wǎng)格劃分選項；劃分網(wǎng)

77、格。第一步定義單元屬性是進行網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)，其使網(wǎng)格具有材料、求解采用的方程等屬性；設(shè)置網(wǎng)格劃分控制選項，能夠讓網(wǎng)格單元分布、尺寸更加均勻，縮減整個分析的計算量，提升結(jié)果的精確度；而劃分網(wǎng)格的完成才是真正地創(chuàng)建了有限元模型。</p><p>　　3.4.1 網(wǎng)格劃分方式</p><p>　　ANSYS 提供了兩種基本的網(wǎng)格劃分方式，分別為映射網(wǎng)格劃分和自由網(wǎng)格劃分。在對模型進行網(wǎng)格劃分之前

78、必須考慮選擇映射網(wǎng)格還是自由網(wǎng)格，這顯得尤為重要,典型的自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分如圖所示[5]：</p><p>　　圖3.1 (a) 自由網(wǎng)格劃分（左） 圖3.1（b）映射網(wǎng)格劃分（右）</p><p>　　自由網(wǎng)格對實體結(jié)構(gòu)的形狀并沒有限制，并且不必遵循專門的劃分準(zhǔn)則。和自由網(wǎng)格相比較，映射網(wǎng)格對實體結(jié)構(gòu)的形狀有規(guī)定，并且一定要滿足特定的規(guī)范[16]。對于簡單的結(jié)構(gòu)模

79、型，映射網(wǎng)格的劃分方式的時間花費長尚能承受，但是對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，就必須考慮時間花費的代價，然后決定是否采用自由劃分方式。如果要求對模型的應(yīng)力大小及分布情況進行定量的分析，應(yīng)該采用映射網(wǎng)格劃分的方式，并且網(wǎng)格單元的節(jié)點應(yīng)該規(guī)律分布。自由網(wǎng)格劃分得到的單元分布沒有規(guī)律，極大的限制了ANSYS的選擇功能，若采用不同批次處理的方式，應(yīng)該采用映射網(wǎng)格劃分。</p><p>　　3.4.2 網(wǎng)格劃分控制</p>

80、<p>　　網(wǎng)格劃分的控制主要包括：網(wǎng)格劃分GUI；網(wǎng)格屬性設(shè)置；網(wǎng)格尺寸控制；網(wǎng)格形狀控制；劃分方式控制[5]。</p><p>　　因為本篇論文是分析雷達天線升降機構(gòu)，所以選擇以梁單元為模型，所以網(wǎng)格的尺寸控制就顯得較為重要。ANSYS采用兩種方法進行網(wǎng)格尺寸控制，分別是智能網(wǎng)格尺寸控制和手動網(wǎng)格控制。智能尺寸控制，是在使用自由網(wǎng)格劃分時可以采用的尺寸控制方式，這種控制方式為自由網(wǎng)格劃分得到合理的

81、單元尺寸和形狀提供了簡便的途徑。這種控制采用的算法是首先掃描一下需要劃分網(wǎng)格的所有線，并且自動估計網(wǎng)格單元合理的劃分長度，使整個自由網(wǎng)格劃分更加合理化。并且控制單元的形態(tài)，使其更加符合計算。值得保持注意的是，直接劃分網(wǎng)格單元雖然容易控制，但是數(shù)據(jù)量極大，操作量會很大，除非是建立非常簡便的力學(xué)模型，否則不適于直接用自動生成劃分網(wǎng)格的方法。</p><p>　　圖3.2（a）三角形劃分

82、 圖3.2 (b) 四邊形劃分</p><p>　　3.4.3 劃分網(wǎng)格的準(zhǔn)則 </p><p>　　網(wǎng)格的劃分的形式會直接影響力學(xué)模型的計算精度，下面的準(zhǔn)則將會給予我們幫助。</p><p><b>　　第一：網(wǎng)格數(shù)目</b></p><p>　　網(wǎng)格數(shù)目的多與少會對模型的計算精度和計算的復(fù)雜程度產(chǎn)生

83、一定的影響。通常來說，增加劃分網(wǎng)格的數(shù)目，可以在計算時，提高精確度，減少實際誤差，但肯定會增加劃分時間和計算的規(guī)模。因此權(quán)衡網(wǎng)格數(shù)目的多少顯得尤為重要。</p><p>　　模型在靜力分析時，如果只是計算結(jié)構(gòu)的位移和變形，網(wǎng)格劃分的數(shù)目少一些為好,在精度要求相同的情況下，需要對模型結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力計算，則網(wǎng)格數(shù)目應(yīng)該多些為宜。在計算機構(gòu)的固有頻率時，如果只是分析前幾階的模態(tài)圖，那么較少的網(wǎng)格數(shù)目就能滿足要求，若分析的

84、模態(tài)較高，那必須增加網(wǎng)格數(shù)目[17]。同樣在對結(jié)構(gòu)進行熱分析時，若內(nèi)部溫度差不大，分析時不需要太多的單元，較少的網(wǎng)格基本上就可以滿足計算。</p><p>　　第二：網(wǎng)格疏密 在劃分單元上，結(jié)構(gòu)上不同的部分應(yīng)該劃分為大小不一樣的網(wǎng)格，也就是說各部分的疏密有所不同，這也是為了相適于計算的特點。在應(yīng)力集中位置，為了精確地計算數(shù)據(jù)，網(wǎng)格必須劃分密集一些，這樣才能使計算結(jié)果誤差減小。某些部分對精確要求不是太高時

85、，為了減少數(shù)據(jù)計算量，就可以網(wǎng)格劃分的稀疏些。如此一來，整個結(jié)構(gòu)就顯示出了疏密不同的網(wǎng)格劃分方式。如圖3.3所示：</p><p><b>　　圖3.3</b></p><p>　　第三：節(jié)點和單元編號 節(jié)點和單元的編號會影響結(jié)構(gòu)總剛矩陣的帶寬和波前數(shù)，因此會影響存儲容量的大小和時間的長短，因此合適的編號有利于提高運算速度[18]。然而對于復(fù)雜的一些機構(gòu)和采用

86、自動生成網(wǎng)格的形式，有目的確定合適的單元編號很難。ANSYS軟件中自帶有優(yōu)化模塊，在自動網(wǎng)格生成后可以優(yōu)化帶寬和波前數(shù)，這樣做，就會在很大程度上降低操作人員的工作量。</p><p>　　3.5 節(jié)點的約束處理—耦合</p><p>　　雷達天線升降機構(gòu)是由支持斜桿，撐桿和天線支架構(gòu)成，且各種結(jié)構(gòu)的選用的材料和尺寸并不一樣，而他們之間靠的是軸銷，墊片連接，并且桿與桿之間還有縫隙等，這就要求

87、在進行有限元建模簡化的同時，必須使節(jié)點的約束更加合理。 </p><p>　　在建立力學(xué)模型后，建立不同節(jié)點間的自由度的聯(lián)系，通常是由網(wǎng)格劃分單元自主的連接節(jié)點。但是需要用特殊的網(wǎng)格時，卻不能描述自由度約束時，這時就必須通過約束方程和耦合來定義這些節(jié)點的自由度。</p><p>　　強迫不同的節(jié)點單元取得一樣的自由度的方法叫做耦合[5]。被耦合在一起的自由度的集合僅僅體現(xiàn)一個主自由度，耦合

88、后矩陣方程中僅僅保留了主自由度，而把其他的自由度刪掉，并且在計算后，主自由度的結(jié)果會被分配到其他自由度上[5]。耦合的典型應(yīng)用包括：保存局部模型的對稱性；在不同桿件相連接的位置相同的節(jié)點生成各種連接，如銷釘、鉸鏈等；建立剛性區(qū)域。因此升降機構(gòu)各桿的連接可以運用耦合進行節(jié)點自由度的處理，形成鉸接點等，或者部分機構(gòu)繞著某一個軸或某一個面旋轉(zhuǎn)自由度，這樣整個結(jié)構(gòu)的建模才合理。</p><p><b>　　3.

89、6 小結(jié)</b></p><p>　　本章首先講了一些基本的建模的操作，并闡述了進行實際結(jié)構(gòu)建模的基本規(guī)則，重點介紹了網(wǎng)格的劃分和劃分的滿足的原則。因為網(wǎng)格劃分關(guān)系到整個建模計算的工作量和計算結(jié)果的精度，在實際的操作中會是一項艱巨的任務(wù)，所以它是重中之重。另外節(jié)點的約束和自由度也會很大影響升降結(jié)構(gòu)的計算，節(jié)點耦合可以解決此問題也是本篇論文另一重點，并且耦合可以順利的解決升降機構(gòu)的鉸接問題，分析的結(jié)果表

90、明這種做法是十分正確的。</p><p>　　通過本章，掌握了升降機構(gòu)進行建模的重要技術(shù)，為下一章建立力學(xué)模型奠定了充分的理論基礎(chǔ)，為下一章用ANSYS對雷達升降機構(gòu)進行有限元分析做好了鋪墊。</p><p>　　第4章 雷達天線升降機構(gòu)的力學(xué)分析</p><p><b>　　4.1 引言</b></p><p>　　

91、在第二、三章中，學(xué)習(xí)了隨機風(fēng)載荷的計算和有限元建模的重要操作,那么在本章，將應(yīng)用這些基本的理論知識對雷達天線升降機構(gòu)進行力學(xué)分析，并研究此機構(gòu)在8級、10級、12級風(fēng)甚至在更大的風(fēng)速下以及天線載荷的作用的下的桿件強度、舉升能力以及變形的結(jié)果。</p><p>　　車載雷達主要是由車座，自動調(diào)平機構(gòu)，電子設(shè)備艙，升降機構(gòu)，天線等組成。其中升降機構(gòu)是主要承重件，要求把天線最大舉高25米，天線的自重在并且在8級大風(fēng)（1

92、8m/s），10級狂風(fēng)（25m/s），12級臺風(fēng)（35m/s）的風(fēng)載荷作用下，保持能夠正常運轉(zhuǎn)。</p><p>　　根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀，升降機構(gòu)通常采用的結(jié)構(gòu)方式有桁架套疊式、套缸式、和剪叉式。本篇論文就是以七級剪叉結(jié)構(gòu)為研究的對象進行力學(xué)分析的。目前來說，剪叉結(jié)構(gòu)是在升降機構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一種升降機構(gòu)，在固定和機動方面都有非常普遍的利用。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)很簡單，升降的速度很快，一般能達到5~10米/分鐘。目前國內(nèi)

93、使用的較為普遍的是十六米的升降機構(gòu)，如要更高的高度就要求整個機構(gòu)的加工精度和制作方式的提高，經(jīng)過多方的調(diào)研和相關(guān)的計算，我認為采用剪叉式機構(gòu)很好的符合了本論文要研究的對象。</p><p>　　4.2 雷達天線升降結(jié)構(gòu)的有限元模型 </p><p>　　天線升降機構(gòu)主要的作用就是在展開時將天線的組件舉升到大概25米左右的高處。機構(gòu)采用的七級剪叉式結(jié)構(gòu)，其主要的優(yōu)點

94、是結(jié)構(gòu)可以非常的簡單，非?？焖俚氖辗牛€可以減少迎風(fēng)的面積。</p><p>　　升降機構(gòu)在升高到最高位置時，這時取與水平面成為53度的夾角，這時每根桿件的長度大致為4.2036米，取鉸接點距離為4.2米，桿件的總長為4.2米+0.25米=4.45米，根據(jù)這種尺寸進行建模。</p><p>　　如果要用有限元分析雷達天線升降機構(gòu)，首先應(yīng)該利用ANSYS軟件建立整個機構(gòu)的力學(xué)模型。該雷達天線

95、升降機構(gòu)采用了七級剪叉結(jié)構(gòu)組合，主要是由支撐斜桿，撐桿和天線支架組成。</p><p>　　升降機構(gòu)模型如下圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1 （a）七級剪叉升降機構(gòu)模型圖</p><p>　　圖4.1（b）七級剪叉升降機構(gòu)模型主視圖</p><p>　　圖4.1（c） 七級剪叉升降機構(gòu)模型側(cè)視圖</p><p&

96、gt;　　對于管單元、梁單元和殼單元等，ANSYS為了簡化力學(xué)模型，圖形上常顯示沒有截面的單元，因此操作者要自定義截面。如4.2下圖所示：</p><p>　　圖4.2（a） 升降機構(gòu)部分模型圖</p><p>　　支撐斜桿材料的規(guī)格選?。哼x用高強度16Mn矩形管；規(guī)格為：250*100*6</p><p>　　圖4.2（b） 支撐斜桿的截面形狀</p>

97、<p>　　撐桿材料的規(guī)格選?。篞235圓管；規(guī)格為：80*5</p><p>　　圖4.2(c) 撐桿的截面形狀</p><p>　　支架材料的規(guī)格選?。篞235方管；規(guī)格為：150*50*5</p><p>　　圖4.2(d) 支架的截面形狀</p><p>　　因為雷達天線升降機構(gòu)的桿件特點，在進行建模時，就選用了梁單元，

98、在ANSYS中選用了BEAM188單元，不用定義實參數(shù)，只定義截面就行。</p><p>　　BEAM188 — 三維線性有限應(yīng)變梁單元</p><p><b>　　單元簡介：</b></p><p>　　BEAM188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁,該單元基于Timoshenko梁理論，考慮剪切變形的影響。</p><

99、p>　　BEAM188是三維線性（2節(jié)點）的梁元件，每個節(jié)點具有六個或七個自由度，自由度的數(shù)量取決于值KEYOPT（1）的。當(dāng)KEYOPT（1）= 0（缺省值），每個節(jié)點具有六個自由度：節(jié)點的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)x，y，和周圍的平移的x，y和z中的z軸方向。當(dāng)KEYOPT（1）= 1，每個節(jié)點有七個自由度，再引入第七自由度（橫截面翹曲）的。</p><p>　　本單元非常適合線性，大旋轉(zhuǎn)角和/或非線性大應(yīng)變的問題,當(dāng)N

100、LGEOM打開（ON）時，BEAM188默認情況下考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)。應(yīng)力剛化選項允許單元能分析彎曲，橫向和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性（使用弧長特征值屈曲或倒塌分析方法）。</p><p>　　BEAM188可用于任何使用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD定義的橫截面。該單元支持彈性，蠕變和塑性模型。與此單元相關(guān)的截面可以是各種參考材料。</p><p>　

101、　BEAM188將忽略任何實常數(shù)。參考SECCONTROLS命令來了解橫向剪切剛度的定義和附加質(zhì)量的方法。</p><p>　　下圖4.3是本單元的示意圖：</p><p>　　圖4.3（a） 圖4.3（b）</p><p>　　BEAM189 —三維二次有限應(yīng)變梁單元</p><p><b

102、>　　單元簡介：</b></p><p>　　BEAM189單元適于分析從細長到中等粗短的梁。該單元基于Timoshenko梁理論，考慮剪切變形的影響。</p><p>　　BEAM189是三維二次（3節(jié)點）梁單元，每個節(jié)點具有六個或七個自由度，自由度的數(shù)量取決于值KEYOPT（1）的。 KEYOPT（1）= 0（缺省值），每個節(jié)點具有六個自由度，即該節(jié)點的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)x，y

103、，XZ關(guān)于平移方向和，y，z軸。 KEYOPT（1）= 1，每個節(jié)點有七個自由度，再引入第七自由度（橫截面翹曲）的。</p><p>　　這個單元非常適合線性，大角度轉(zhuǎn)動和/或非線性大應(yīng)變問題的分析。當(dāng)NLGEOM打開（ON）時，BEAM189默認情況下考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)。應(yīng)力剛化選項允許單元能分析彎曲，橫向和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性（使用弧長特征值屈曲或倒塌分析方法）。</p><p>　　BEAM18

104、9可用于任何使用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD定義的橫截面。本單元支持彈性，蠕變和塑性模型。與此單元相關(guān)的截面可以是各種參考材料。</p><p>　　BEAM189將忽略任何實常數(shù)。參考SECCONTROLS命令來了解橫向剪切剛度的定義和附加質(zhì)量的方法。</p><p>　　下圖4.4是本單元的示意圖： </p><

105、;p>　　圖4.4（a） 圖4.4（b)</p><p>　　截面定義完以后，BEAM188單元可以直接讀取在前面我們所設(shè)定的截面的基本數(shù)據(jù)。因為模型中不同的桿件結(jié)構(gòu)相互連接，在節(jié)點處必須加以耦合，使它們形成鉸接點，模擬實際自由度和約束的情況，然后就可以開始對此有限元模型進行網(wǎng)格劃分，因為選取的是梁單元，并且機構(gòu)有三種桿件組成，分別對其劃分網(wǎng)格如下圖4.5所示：

106、</p><p>　　圖4.5 剪叉機構(gòu)網(wǎng)格劃分部分圖</p><p><b>　　4.3 靜態(tài)分析</b></p><p>　　靜態(tài)分析主要就是分析在升降機構(gòu)舉升重達到500㎏的天線，舉升的最大高度為25米時，整個升降機構(gòu)在水平方向（x方向）的晃動量和在垂直方向（y方向）的下沉量，和整個機構(gòu)的應(yīng)力，判斷其是否在安全工作的范圍內(nèi)，這也是雷達天線

107、升降機構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　4.3.1 8級風(fēng)載荷作用下機構(gòu)的靜態(tài)分析</p><p>　　8級風(fēng)為大風(fēng)，風(fēng)速為18m/s,根據(jù)第二章的公式得：</p><p>　　基本風(fēng)壓：（kN/m2）</p><p><b>　　升降機構(gòu)的風(fēng)載荷：</b></p><p>　　在迎風(fēng)側(cè)面取

108、值為+0.8，在背風(fēng)側(cè)面取值為-0.5；</p><p><b>　　則風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值：</b></p><p>　　=1×（0.8+0.5）×1.42×0.2025</p><p>　　=0.374 kN/m2</p><p>　　機構(gòu)的受風(fēng)面積：S=4450×250×1

109、4+100×5000×3</p><p><b>　　=17.1 m2</b></p><p>　　升降機構(gòu)所受風(fēng)載荷為：</p><p>　　=0.374×17.1=6.40 kN</p><p>　　在第二章提到，此時把風(fēng)載荷看成一種平均風(fēng)進行計算，當(dāng)風(fēng)作用于升降機構(gòu)時，可以把風(fēng)的作用看

110、作為一種靜載荷。在進行模擬加載時，只需要利用已有公式直接計算出總體風(fēng)載荷的大小。</p><p>　　然后把風(fēng)載荷平均地加載到升降機構(gòu)迎風(fēng)側(cè)面的各個主要節(jié)點上，并在升降機構(gòu)的頂端四個節(jié)點上平均加載天線的重量500kg，這就完成了整個機構(gòu)的外載荷加載，然后就可以對升降機構(gòu)進行ANSYS分析。</p><p>　　分析結(jié)果如下圖4.6所示：</p><p>　　圖4.6

111、（a） 升降機構(gòu)在8級風(fēng)作用下沿x方向的位移圖</p><p>　　由x方向位移圖可知，升降機構(gòu)在x方向的位移從底部到頂端的位移越來越大，迎風(fēng)側(cè)面的位移比背風(fēng)側(cè)面的位移大，最大位移在背風(fēng)面升降機構(gòu)頂端，最大為0.m，即為1.4274cm，滿足整個升降機構(gòu)在水平方向的晃動量要求。</p><p>　　圖4.6（b） 升降機構(gòu)在8級風(fēng)作用下沿y方向的位移圖</p><p&