CN108482263B - 车载经纬仪支撑平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载经纬仪支撑平台，包括：平台支撑框架、平台蒙皮、设备安装凸台、平台支腿转接件及平台支腿组件，所述平台蒙皮包覆在所述平台支撑框架上，所述设备安装凸台设于所述平台支撑框架上，所述平台支撑框架为由金属管材焊接而成的矩形框架，并根据拓扑优化结果按照力的传递路径在矩形框架内布设斜拉杆，所述平台支腿组件设于所述平台支撑框架四个顶角的下方，且所述平台支腿转接件设于所述平台支撑框架四个顶角与所述平台支腿组件的连接处。本发明能够保证车载平台的支撑刚度、振动基频的前提下实现车载平台的轻量化。

Description

车载经纬仪支撑平台
技术领域
本发明涉靶场光学测量技术领域，特别涉及一种车载经纬仪支撑平台。
背景技术
随着靶场光测技术的发展，车载经纬仪的不落地测量成为研究热点。光电经纬仪安装在可升降平台上，通过载车运输到指定地点，支腿将载有经纬仪的平台支撑升起一定高度，使得经纬仪与载车分离，从而实现不落地测量。为了保证测量精度，车载平台的高刚度和动态稳定性极为重要。现有技术中，车载平台采用铸造或钢板焊接工艺制备，具有重量大、比刚度低和动态特性差等问题。车载平台的重量过大，严重影响平台的运输，对载车的承载能力提出了较高要求。刚度不足会导致平台变形过大，影响经纬仪测量精度。平台的动态特性差主要表现为基频过低，将会限制经纬的伺服控制带宽，进而影响经纬的伺服控制。这些要求使得车载平台的结构设计尤为困难，需要详细的结构优化设计才能使得保证平台的良好的支撑刚度，较轻的质量和高的振动基频。
发明内容
为了克服已有的技术存在的缺陷，本发明提出一种车载经纬仪支撑平台。目的在于在保证车载平台的支撑刚度、振动基频的前提下实现车载平台的轻量化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种车载经纬仪支撑平台，包括：平台支撑框架、平台蒙皮、设备安装凸台、平台支腿转接件及平台支腿组件，所述平台蒙皮包覆在所述平台支撑框架上，所述设备安装凸台设于所述平台支撑框架上，所述平台支撑框架为通过金属管材焊接而成的矩形框架，并根据拓扑优化结果按照力的传递路径在所述矩形框架内布设有斜拉杆；所述平台支腿组件设于所述平台支撑框架四个顶角的下方，且所述平台支腿转接件设于所述平台支撑框架四个顶角与所述平台支腿组件的连接处。
所述平台蒙皮焊接在所述平台支撑框架上。
所述平台支撑框架包括上层结构、下层结构及包覆在所述上层结构及下层结构之间的所述金属管材。
所述斜拉杆为金属管材，所述斜拉杆的位置及数量采用拓扑优化方法进行确定，并根据拓扑优化结果，按照力的传递路径布置，在承重部分比非承重部分布置的所述金属管材多。
所述平台支撑框架的设计包括如下步骤：
步骤1，建立一个刚架结构的实心外轮廓模型，所述实心外轮廓模型外形尺寸与所述平台支撑框架的外形尺寸一致，把所述实心外轮廓模型切分成规则的可映射区域，划分成有规律的有限元网格单元；
步骤2，将所述有限元网格单元的所有节点作为刚架结构的所有节点，把每个所述有限元网格单元中的所有节点分别用金属管材连接起来，建立一级刚架基结构；
步骤3，采用有限元模型中的梁单元对所述实心外轮廓模型进行离散，设置梁单元的截面参数，指定材料属性，按照实际工况施加边界条件和载荷，完成有限元模型的建立，进行有限元模型的正问题求解，获得梁单元模型的变形和应力结果；
步骤4，在有限元模型的正问题求解结果的基础上，采用拓扑优化算法对所述有限元模型进行拓扑优化设计，拓扑优化中采用SIMP材料插值方法，以最小柔度为目标函数，以体积份数为约束，采用OC法进行优化迭代求解，获得的最优拓扑构型，通过拓扑优化筛选出对于承载重要的斜拉杆，在模型中保留；筛选出对于承载不重要的斜拉杆，在模型中删除，获得一定重量要求下的高比刚度框架结构。
所述平台支撑框架采用所述金属管材焊接形成。
所述平台蒙皮焊接在所述平台支撑框架上。
所述设备安装凸台设于所述平台支撑框架的上表面，且所述平台支撑框架的上表面布设有一个或多个所述设备安装凸台，每个所述设备安装凸台上预留用于安装车载经纬仪的螺纹孔。
所述平台支腿转接件与所述平台支撑框架之间，所述平台支腿转接件与所述平台支腿组件之间采用螺栓连接固定。
所述平台支腿组件设有升降系统，所述升降系统包括伺服控制系统、伺服电机、位移传感器及力传感器，所述伺服控制系统控制所述伺服电机对每个所述支腿组件进行合适的升降，所述位移传感器对所述支腿组件的位移大小进行检测，所述力传感器用于对每个支腿组件的承力大小进行检测，所述位移传感器及力传感器的电信号均发送给所述伺服控制系统以实现对所述伺服电机的闭环控制，从而实现所述平台支撑框架的调平，使得各个所述平台支腿组件承力均匀。
本发明的有益效果：本发明设计了一种金属管材焊接平台支撑框架外加焊接平台蒙皮的车载经纬仪支撑平台的结构，承载效率高、比刚度大、重量轻、动态特性好，可以在保证车载经纬仪支撑平台的使用功能前提下，实现车载经纬仪支撑平台的大幅轻量化。
附图说明
图1是本发明车载经纬仪支撑平台的一个实施例的示意图；
图2是平台支撑框架的示意图。
图3是如图1所示的车载经纬仪支撑平台的剖视图。
图4是平台支撑框架的拓扑优化流程图。
图5所示为平台支撑框架的最优拓扑构型图。
图6a所示为传统平台支撑框架变形的示意图。
图6b所示为本发明平台支撑框架变形的示意图。
图中：1、平台支撑框架，2、平台蒙皮，3、设备安装凸台，4、平台支腿转接件，5、平台支腿组件。
具体实施方式
本发明提供一种车载经纬仪支撑平台，为高承载轻质车载平台的结构设计提供一种有效的解决方案。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1-3所示，包括：平台支撑框架1、平台蒙皮2、设备安装凸台3、平台支腿转接件4及平台支腿组件5，所述平台蒙皮2包覆在所述平台支撑框架1上，所述设备安装凸台3设于所述平台支撑框架1上，所述平台支撑框架1为通过金属管材拼接形成的矩形框架，在矩形框架内根据拓扑优化结果按照力的传递路径布设的斜拉杆，所述平台支腿组件5设于所述平台支撑框架1的四个顶角的下方，且所述平台支腿转接件4设于所述平台支撑框架1的四个顶角与所述平台支腿组件5的连接处。本发明车载经纬仪支撑平台的主承力结构为金属管材拼接而成的平台支撑框架1，其整体采用内部为承力框架，外表包覆金属蒙皮2的结构形式，构成夹心结构。金属管材的分布采用拓扑优化方法确定，根据对承载的贡献进行支撑管的分布设计，在承载重要的部分多布置金属管材，在承载相对不重要的部分少布置金属管材。整个平台支撑框架1由横向金属管材、纵向金属管材、平面斜向金属管材和空间斜向金属管材组成。
一个实施例中，如图1所示，所述平台蒙皮2焊接在所述平台支撑框架1上。
一个实施例中，如图2、3所示，所述斜拉杆为设置在多个所述有限元网格单元的节点之间的金属管材，所述斜拉杆的位置及数量采用拓扑优化方法进行确定，根据拓扑优化结果，按照力的传递路径布置，在承重部分比非承重部分布置的斜拉杆多。
一个实施例中，如图2、3所示，所述平台支撑框架1采用所述金属管材焊接形成。
一个实施例中，如图1所示，所述平台蒙皮2焊接在所述平台支撑框架上。
一个实施例中，如图1、3所示，所述设备安装凸台3设于所述平台支撑框架1的上表面，且所述平台支撑框架1的上表面布设有一个或多个所述设备安装凸台3，每个所述设备安装凸台3上预留用于安装车载经纬仪的螺纹孔。
一个实施例中，如图1所示，所述平台支腿转接件4与所述平台支撑框架1之间，所述平台支腿转接件4与所述平台支腿组件5之间采用螺栓连接固定。
一个实施例中，所述平台支腿组件5设有升降系统，所述升降系统包括伺服控制系统、伺服电机、位移传感器及力传感器，所述伺服控制系统控制所述伺服电机对每个所述支腿组件进行合适的升降，所述位移传感器对所述支腿组件的位移大小进行检测，所述力传感器用于对每个支腿组件的承力大小进行检测，所述位移传感器及力传感器的电信号均发送给所述伺服控制系统以实现对所述伺服电机的闭环控制，从而实现所述平台支撑框架的调平，使得各个所述平台支腿组件成立均匀。
如图4、5所示，本发明车载经纬仪支撑平台的平台支撑框架1的设计方法，其设计过程如下：
步骤1，建立一个刚架结构的实心外轮廓模型，所述实心外轮廓模型外形尺寸与所述平台支撑框架的外形尺寸一致，把所述实心外轮廓模型切分成规则的可映射区域，划分成有规律的有限元网格单元；
步骤2，将所述有限元网格单元的所有节点作为刚架结构的所有节点，把每个所述有限元网格单元中的所有节点连接起来，建立一级刚架基结构；
步骤3，采用有限元模型中的梁单元对所述实心外轮廓模型进行离散，设置梁单元的截面参数，指定材料属性，按照实际工况施加边界条件和载荷，完成有限元模型的建立，进行有限元模型的正问题求解，获得梁单元模型的变形和应力结果；
步骤4，在有限元模型的正问题求解结果的基础上，采用拓扑优化算法对所述有限元模型进行拓扑优化设计，拓扑优化中采用SIMP材料插值方法，以最小柔度为目标函数，以体积份数为约束，采用OC法进行优化迭代求解，获得的最优拓扑构型，通过拓扑优化筛选出对于承载重要的斜拉杆，在模型中保留；筛选出对于承载不重要的斜拉杆，在模型中删除，获得一定重量要求下的高比刚度框架结构。其中，有限元模型为公知术语。拓扑优化中采用SIMP材料插值方法，以最小柔度为目标函数，以体积份数为约束，采用OC法进行优化迭代求解，获得的最优拓扑构型。SIMP为“Solid Isotropic Material with Penalization”的缩写，意思是带有惩罚的各项同性固体材料插值方法。最小柔度，是优化中的目标函数；体积份数是优化结果模型的体积与初始模型体积的比值；OC法是Optimality Criteria的缩写，意思是优化准则法。
拓扑优化得到的高比刚度框架模型可以作为平台支撑框架的概念设计结果。根据概念设计的平台构型进行平台的详细设计，确定横向金属管材、纵向金属管材、平面斜向金属管材及空间斜向金属管材的数量和位置关系。通过金属管材焊接成承力框架，然后进行金属热处理，去除焊接应力。
把平台支撑框架表面的金属蒙皮焊上，使得整个平台的承力特性更好。其中支撑平台的上表面设计一个凸起的区域即是设备安装凸台，作为经纬仪的安装接口，需要进行精密加工。支撑平台通过螺栓与平台支腿转接件相连，平台支腿转接件再通过螺栓连接到平台支腿组件上，形成整个车载经纬仪支撑平台的装配。
车载经纬仪支撑平台的平台支腿组件具有电控装置，通过伺服电机驱动，可以实现车载经纬仪支撑平台的升降和调平。
参考图6a和6b所示，本发明通过拓扑优化设计实现了车载平台的高比刚度设计，从定量分析的角度，通过有限元仿真分析的方法对比了本发明的平台支撑框架1与传统平台支撑框架的性能参数，结果表明本发明的平台支撑框架1相比传统平台支撑框架减重超过39.5％，同时其力学性能明显提升，最大变形减小21.42％，基频提升32.8％，具体数据如图6a、6b和下表1所示：
表1，传统平台支撑框架和本发明平台支撑框架力学性能参数对比：
传统平台支撑框架 本发明平台支撑框架
变形(mm) 0.154 0.121
基频(HZ) 78.5 104.3
重量(kg) 3306 2003
以上对本发明所提供的一种车载经纬仪支撑平台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种车载经纬仪支撑平台的平台支撑框架设计方法，车载经纬仪支撑平台包括：平台支撑框架、平台蒙皮、设备安装凸台、平台支腿转接件及平台支腿组件，所述平台蒙皮包覆在所述平台支撑框架上，所述设备安装凸台设于所述平台支撑框架上，所述平台支撑框架为由金属管材焊接而成的矩形框架，并根据拓扑优化结果按照力的传递路径在所述矩形框架内布设有斜拉杆；所述平台支腿组件设于所述平台支撑框架四个顶角的下方，且所述平台支腿转接件设于所述平台支撑框架四个顶角与所述平台支腿组件的连接处；其特征在于，该平台支撑框架设计方法包括如下步骤：
步骤1，建立一个刚架结构的实心外轮廓模型，所述实心外轮廓模型外形尺寸与所述平台支撑框架的外形尺寸一致，把所述实心外轮廓模型切分成规则的可映射区域，划分成有规律的有限元网格单元；
步骤2，将所述有限元网格单元的所有节点作为刚架结构的所有节点，把每个所述有限元网格单元中的所有节点分别用金属管材连接起来，建立一级刚架基结构；
步骤3，采用有限元模型中的梁单元对所述实心外轮廓模型进行离散，设置梁单元的截面参数，指定材料属性，按照实际工况施加边界条件和载荷，完成有限元模型的建立，进行所述有限元模型的正问题求解，获得梁单元模型的变形和应力结果；
步骤4，在所述有限元模型的正问题求解结果的基础上，采用拓扑优化算法对所述有限元模型进行拓扑优化设计，拓扑优化中采用SIMP材料插值方法，以最小柔度为目标函数，以体积份数为约束，采用OC法进行优化迭代求解，获得的最优拓扑构型，通过拓扑优化筛选出对于承载重要的斜拉杆，在模型中保留；筛选出对于承载不重要的斜拉杆，在模型中删除，获得一定重量要求下的高比刚度框架结构。
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