一种动中通天线减震系统的研究*

李玉龙

(西安克拉克通信科技有限公司，陕西 西安 710100)

0 引 言

动中通天线作为装甲车通信的重要手段，是装甲车必不可少的组成部分。装甲车需要在复杂道路上行驶，会产生强烈的振动，此时动中通天线会承受各个方向的随机振动，要保证动中通天线正常工作，不受损坏，天线的减震系统会起到非常重要的缓冲作用。钢丝绳减震器，具有环境适应性强、抗振动效果好、使用寿命长等优点。

笔者研究的是一种M113装甲车上动中通天线减震系统在窄带随机振动条件下的响应。以重量为52 kg动中通天线设备为基础，研究钢丝绳直径对缓冲效果的影响，最后通过理论计算、Pro/E建模、Ansys振动仿真、振动试验验证结果。

1 装甲车动中通天线减震系统结构组成以及模型建立

装甲车动中通天线系统(见图1)由动中通天线、减震系统、固定底板组成。减震系统由4个减震器单元组成。

1.1 振动条件和减震系统分析

文中研究的动中通天线在宽带随机振动环境中，振动条件为：Table-514.4 AXVII[1]，频谱中随机振动的频率为24～500 Hz。为了避免动中通天线发生共振，减震系统起到良好的缓冲作用，设备的固有频率[2]应满足下列公式:

(1)

式中：f0为固有频率；f为振动频率；计算得到系统的固有频率应满足f0≤16.97 Hz。

1.2 Pro/E减震系统的建模与Ansys振动仿真

1.2.1 减震器固有频率的仿真与刚度计算

首先对某厂家特定型号减震器进行分析，减震器钢丝绳直径为7 mm，绕制圈数为8圈，高度为71 mm。模型利用Pro/E建模后，Ansys对模型进行网格划分，网格划分精度选择0.05，进行单元质量检查，单元边界条件设置底部为固定支撑，然后对材料进行赋值[3-5]，钢丝的材料杨氏模量为2.1×105GPa，泊松比设置为0.269。对模型重新进行模态分析(见图2)，得到固有频率f0为52 Hz，仿真得到减震器固有频率在随机振动条件频率(24～500 Hz)范围内，会产生共振，不符合要求。

通过Pro/E改变钢丝绳直径，重新建模，Ansys对模型重新进行模态分析(见图3)，得到固有频率f0为16.79 Hz≤16.97 Hz，频率满足要求，此时钢丝绳直径为5.5 mm。利用公式[6]：

K=m(2πf0)2

(2)

式中：f0为固有频率；K为减震器刚度；m为设备重量；得到减震器的刚度为K=590 000 N/M。

1.2.2 自由变形量、最大振幅仿真与隔振效率计算

动中通天线系统在自由状态下，根据Ansys输出减震器的变形量云图(见图4)，得到最大变形量为4.57 mm。动中通天线系统在随机振动条件下，根据Ansys输出动中通天线系统的最大振幅图(见图5)，得到最大振幅为0.465 mm 。

振动传递效率T是在激励作用下设备最大振幅X与自由状态时变形量s的比值：

(3)

隔振效率：

η=1-T

(4)

根据公式(3)、(4)计算可得到减震器的隔振效率为89.8%。

1.2.3 减震器的应力仿真

进行随机振动分析， 根据Ansys输出最大振幅的应力云图(见图6)，得到最大应力为1 104.9 MPa。

图6 最大振幅的应力云图

理论应力计算公式为：

(5)

式中：P为瞬时最大载荷；A为受力面积；得到理论最大应力为σ=1 038.9 MPa。

2 样品试验

2.1 进行试验与记录

利用仿真结果，生产出钢丝绳减震器，钢丝绳直径为5.5 mm，绕制圈数为8圈，高度为71 mm。将设备安装在试验台上，在振动台上设置1个控制加速度传感器，分别在底板和动中通天线系统设备上2个监测加速器传感器(如图7)，完成试验准备工作后，分别按照振动条件对产品的横轴、纵轴、垂直轴进行振动试验，每个轴有6种条件，依次对每个条件进行45 min振动试验。

图7 振动试验实物图

经过两天振动试验，减震系统完成了18种振动条件下的振动试验。振动试验完成后进行检查，动中通天线设备上未发现螺钉松动，未发现零件损失、失效等情况。并记录随机振动条件下的试验数据，如表1所列。隔振效率的另一种计算方法为：

表1 随机振动条件下加速度响应记录表

(6)

式中：G1为控制加速度；G2为设备监测加速度。

由试验结果可知，在垂直轴方向振动试验，VO6条件下的控制加速度值最大；在横轴和纵轴方向振动试验，TO5和LO5条件下的控制加速度值最大，但是此值远远小于在VO6条件下的控制加速度。下面附图说明在VO6条件下的加速度响应曲线(见图8)。

图8 在VO6条件下加速度响应曲线

2.2 试验结果与仿真结果对比

通过试验记录表1看到，在VO2条件下，减震器的隔振效率最低为91.35%，此时设备的振幅最大。在LO4条件下，减震器的隔振效率最高为99.99%。根据试验数据，说明减震器起到了良好的缓冲作用[7-8]。下面对试验结果和仿真结果进行对比分析(见表2)。

表2 仿真与试验结果对比

仿真与试验固有频率的误差在15%以内，隔振效率在5%以内，试验结果和仿真结果基本一样，验证了软件仿真的可行性[9]。

3 结 论

通过上述分析研究，得到以下结论。

(1) 基于通用建模软件Pro/E进行建模并使用有限元分析软件Ansys对试验振动进行仿真模拟，仿真结果和试验数据基本一样，表明了Ansys模拟振动特性在实际运用是可行性的。

(2) 通过改变钢丝绳直径来改变减震系统的刚度，因而改变钢丝绳的固有频率，避开共振区域，提高减震效果，可以有效地保护设备的使用寿命。