3-76  一种光学平台的力学稳定性分析

鲜玉强  陈  儒

    光学平台稳定性使用要求很高，结构形式复杂，使用环境苛刻，受不同类型载荷作用，对结构设计和加工工艺的要求非常严格。介绍了利用ANSYS结构分析软件对该光学平台在不同的简化结构条件下的计算机数值模拟结果，为其工程研制提供了理论依据。

该光学平台由工作台面和数控支腿组成，台面与支腿之间，通过法兰和螺栓将两者联结为一整体。工作台面是一个矩形网格加筋的板壳结构，其上平面为工作平面；下平面为厢形结构形式布置的加强筋板，共安装6条由伺服电机驱动的、以滚珠丝杠为传动核心的数控支腿。平台两端布置光学仪器，载荷分布极不均匀；其突出的特点是工作在恶劣的振动环境（包括地面振动和仪器设备传递的振动）中，使用稳定性要求又很高，对整体结构的刚度和系统稳定性提出了很高的要求。

根据平台的实际结构尺寸，建立有限元模型。在单元类型的选取时，平台工作面、边框、筋板、支腿外壳等部分均采用板壳单元SHELL143进行离散；支腿滚珠丝杠部分采用实体单元SOLID73进行离散，完成相应单元的实常数和有关材料参数的定义，最终得到的模型的单元总数为23 392，节点数24 120，自由度数144 720。

分析的难点在于模型简化和载荷条件制定上。由于平台支腿是影响系统结构稳定性的主要部件，滚珠丝杠又是控制执行机构和承力构件，在垂直载荷和环境机械振动的联合作用下，所建立的数值分析模型能否真实反映实际受力状态，就成了决定分析数据可靠性和可信度的重要因素。为此，我们对支腿部分进行了两种不同联结方式的简化。简化方式A不考虑蜗轮蜗杆，将滚珠丝杠作为实体单元，其余部分作为壳单元，丝杠与其外部壳单元在上下固定端支撑处连接。简化方式B将蜗轮蜗杆作为实体单元与滚珠丝杠相连，并在上下固定端支撑处与其外部壳单元连接，与简化方式A比较，相当于将平台与支腿的连接刚度加强。针对支腿的每一种简化方式对平台分别作了计算。

模态分析结果：（1）模型A的基频为23.79 Hz，模型B的基频为25.20 Hz；（2）前3阶集中在20~30 Hz之间，自振特点是整体或局部在xoy平面内的摆动；后3阶集中在70~100 Hz之间，自振特点是沿z向的整体或局部的上下振动。

通过静力计算，获得了两种简化条件下，模型最大位移和最大等效应力，各条支腿的受力情况以及固定端支撑面的载荷分配等数据。计算结果显示模型A的变形高于模型B的变形；模型A与丝杠相连的上固定端支撑面承受载荷较下固定端支撑面承受的载荷大；模型B降低了与丝杠相连的上固定端支撑面承受载荷所占的比例。

通过对该光学平台在不同简化结构和工况条件下的结构强度、刚度和稳定性进行计算和分析，可以看到，在复杂载荷的联合作用下，不同支腿内部结构的简化形式，计算出的结果有一定的差别，模型B比模型A在结构简化上更为强化了一点，结构强度、刚度和稳定性均能够满足要求。通过模拟计算和对计算结果数据的分析与研究，促进了该平台系统的固有力学特性的进一步了解，对工程结构的具体设计和优化，以及实际应用均具有较重要的指导意义。