張 雷，邱亞峰，曹 源

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京210094）

引言

船載光電轉臺主要應用于國家邊海防建設，是典型的光機電一體化的實踐應用。目前國外比較有名的船載光電轉臺有美國的FLIR System公司的Sea FLIR，法國的VIGY－10fi偵查監(jiān)測系統(tǒng)等；國內船載光電轉臺的研究起步較晚，本文根據技術指標要求，設計出船載光電轉臺。由于海面風力、海浪起伏、晝夜溫差對轉臺結構穩(wěn)定性有較大的影響，為保證設計的光電轉臺正常工作，必須對其機械結構進行環(huán)境穩(wěn)定性分析。而在等價風載、環(huán)境溫差、海浪起伏環(huán)境條件下，常規(guī)的結構校核計算很難準確對轉臺的環(huán)境穩(wěn)定性進行評估，所以本文將采用ABAQUS（CAE）軟件對機械結構進行有限元分析，將環(huán)境因素以外部激勵的參數形式輸入三維仿真模型求得相應的響應，結合理論精度對船載光電轉臺的結構穩(wěn)定性進行仿真驗證，進而確保系統(tǒng)結構的環(huán)境適應性。

1 船載光電轉臺系統(tǒng)與結構設計

1.1 系統(tǒng)設計

本文所設計的船載光電轉臺技術要求如下：

1）監(jiān)測距離：在20km標準能見度、三級海浪下，可見光／紅外探測儀必須達到對500t以上的中型船只識別距離8km，海岸邊或者船只上的人識別距離2km；

2）監(jiān)控性能：圖像成像穩(wěn)定，可進行跟蹤和掃描可疑目標，具有夜間成像能力和便利的監(jiān)控控制界面；

3）海洋環(huán)境：我國近海東南沿海地區(qū)多臺風暴雨，北部渤海黃海四季溫差比較大。另外需要保證在海浪等級三級下正常運轉；

4）轉臺工作范圍：俯仰角－60°～＋60°，方位角－180°～＋180°或360°；

5）轉臺精度：穩(wěn)定精度為0.03°，回歸與預置位精度優(yōu)于0.2°；

6）環(huán)境溫度：工作溫度－30℃～70℃；

7）工作濕度：90%±3%，非凝結；

8）質量與負載：質量≤75kg，負載≥30kg。

結合船載光電轉臺的技術指標，對船載光電轉臺的光電系統(tǒng)進行設計，主要包括：光學探測系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、穩(wěn)像控制系統(tǒng)、測量反饋系統(tǒng)和數據處理系統(tǒng)。工作原理如圖1所示。

圖1 船載光電轉臺原理圖Fig.1 Principle diagram of ship photoelectric rotary table

光學探測系統(tǒng)需要實現全方位24h不間斷的環(huán)境監(jiān)測，由可見光攝像機和紅外攝像機組成［1］?？梢姽鈹z像機由CCD鏡頭和CCD探測器組成。其中CCD鏡頭參數：0.847cm（1／3in）CCD，光學變倍18，焦距8mm～144mm，光圈范圍F1.4～T360；CCD探測器參數：0.847cm（1／3in）CCD圖像傳感器，最小照度為0.02lx／F1.6（黑白）1／30s，分辨率為1 280＊720，信噪比S／N大于50dB。紅外攝像機由紅外鏡頭和非制冷紅外探測器組成。其中紅外鏡頭參數：0.847cm（1／3in）CCD，5倍連續(xù)變焦，焦距30mm～140mm；非制冷紅外探測器參數：分辨率324＊256，最小照度為0lx／F1.0（紅外開啟）。

穩(wěn)像控制系統(tǒng)是為了解決船載光電轉臺在海面進行偵查探測時，隨著海浪的起伏、船身的搖晃而振動，導致圖像的不穩(wěn)定、模糊問題［2］。根據使用的海洋環(huán)境選用 MIN－900－2型號的陀螺儀，主要參數為傳感器量程。陀螺：±300（°）／s；加速度：±1.7g／s2；磁場：±1.2A／m；加速度線性度：0.2%；加速度零偏穩(wěn)定性：0.010g／s2；陀螺線性度：0.2%；陀螺零偏穩(wěn)定性：0.7 （°）／s；磁強計線性度：0.4%；磁強計零偏穩(wěn)定性：0.010A／m；精度：±0.5°（靜態(tài)），±2°（動態(tài)）；方向分辨率＜0.1°。

隨動控制系統(tǒng)是銜接穩(wěn)像控制系統(tǒng)與光學探測系統(tǒng)［3］的紐帶，將穩(wěn)像系統(tǒng)傳出的信號轉變成轉臺實際的轉動，從而調整光軸的位置，提供穩(wěn)定的圖像，來滿足轉臺跟蹤搜索功能。根據功能滿足性與成本因素，設計選用型號為6030的電機運動控制卡作為主要載體。其主要參數為主機界面，33MPCI總線；工作環(huán)境：0～70℃，20%～90%的相對濕度，無凝結；脈沖發(fā)生率：106脈沖／s；驅動條件：高電平4.5V～5V，最大驅動電流50mA；運動曲線：梯形包絡線和速度曲線；運動范圍：位置指令 ，速度指令106脈沖／s。

測量反饋系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測轉軸的轉動位置、轉動速率，并通過反饋對轉臺的轉動位置和速率進行調整，保證轉臺在規(guī)定的精度和軌跡范圍內正常運行。具體構件有旋轉變壓器、光電編碼盤、光電編碼器、光電開關［4］。

數據處理系統(tǒng)的作用是將各個子系統(tǒng)所處理的數據信息進行重新收集、記錄、存儲，然后對數據加以處理［5］，傳遞到人機交互界面加以控制，進而可以使得整個系統(tǒng)的信息能夠相互交流，使整個系統(tǒng)成為一個有機的整體，共同完成系統(tǒng)的功能。

1.2 結構設計

選擇pro／E軟件進行轉臺結構的設計，以光電系統(tǒng)載體為基礎、具體運動要求為前提，設計出具體的光電轉臺結構如圖2所示。其中圖2（a）為用pro／E設計的三維光電轉臺結構；圖2（b）為實際加工出的虛擬樣機；圖2（c）為光電轉臺的內部分布與排線圖。

圖2 光電轉臺結構示意圖Fig.2 Structure diagram of ship photoelectric rotary table

2 船載光電轉臺在特殊環(huán)境下的可行性分析

2.1 材料選擇

要使光電轉臺能工作在所要求的海洋環(huán)境，必須選擇合適的材料。而要對其進行模擬環(huán)境下的仿真也須結合材料進行詳細計算，以確保所設計的光電轉臺符合工作要求。選擇的船載光電轉臺結構材料的參數如表1所示。

表1 轉臺結構材料參數明細表Table 1 Schedule of material parameters

2.2 特殊海洋環(huán)境下的可行性分析

為保證光電轉臺結構在海洋環(huán)境下的可行性，需要分析等價靜力風載、極端溫度場和海浪振動3種海洋環(huán)境。本文運用ABAQUS軟件作具體分析。

2.2.1 等價靜力風載下的結構穩(wěn)定性分析

等價靜力風載下的靜力學分析［6］，主要是確定風載荷的大小及作用位置。因為靜風風載可視為平均風壓［7］，影響它的因素主要有船載光電轉臺的高度、風的速度及風向，其計算公式為

為了考慮極限情況下靜風風載對結構表面的影響，將船載光電轉臺的風載設為最大值。設定轉臺正面為逆風面，逆風面μs為1.5，轉臺工作高度為海平面0～10m，作用面無遮擋物，μz（z）查表為1.38［8］，球體的基本風壓值根據我國風壓設定為2.9MPa，安全系數設定為5，設定）為30MPa。將風載荷以面力的形式施加在轉臺的正面（即逆風面）進行計算求解。圖3為轉臺的等價靜力風載分布圖。

圖3 等價靜力風載示意圖Fig.3 Diagram of equivalent static wind load

在五倍的等價靜力風載作用下，最大應力點在俯仰左軸附近，大小從圖4（a）左側應力分析值可得為255MPa，遠小于鋼的屈服強度355MPa，而外殼球體基本應力小于149MPa，小于鋁合金的屈服強度274 MPa，所以結構強度滿足設計要求，轉臺在普通靜風作用下可以可靠穩(wěn)定工作。

由仿真結果提示可知：當海面遭遇強風或者臺風后，風壓會急劇上升，這時船載光電轉臺不能在海面作業(yè)，必須用船體外部防風罩進行保護，防止轉臺轉軸在強大的風壓下結構變形而使轉臺喪失原有精度。等價靜力風載的應力云圖根據計算經驗取平均75%的S，Mises應力值（即三向綜合應力值）和應變云圖U，Magnitude位移（即三向等效相對位移）分別見圖4（a）與圖4（b）。

圖4 等價靜力風載荷的應變云圖Fig.4 Contours of equivalent static wind load strain

2.2.2 極限溫度下的結構穩(wěn)定性分析

船載光電轉臺的工作環(huán)境覆蓋熱帶、亞熱帶、溫帶，四季溫差變化明顯，我國的渤海區(qū)域在冬季會降到10℃以下，而我國南海海域的某些區(qū)域夏季會達到45℃。而在太陽光輻射的情況下，外殼的溫度還會增高。技術指標規(guī)定船載光電轉臺必須在－30℃～70℃的溫度下正常工作，因此機械結構需要保證在規(guī)定的溫度范圍內滿足穩(wěn)定性要求。

船載光電轉臺的最低臨界溫度為－30℃，在低溫下結構收縮而產生內部應力。為了確保轉臺的精密性，本文對結構進行熱應力和熱應變的分析［9］，保證結構在規(guī)定的穩(wěn)定范圍內。溫度場的直接作用面為轉臺外表面，如圖5所示。轉臺結構的材料熱參數如表2所示。將溫度場參數代入模型進行求解。

圖5 溫度作用面示意圖Fig.5 Diagram of temperature effect

表2 轉臺結構材料熱參數明細表Table 2 Schedule of material thermal parameters

在溫差作用下結構產生了熱應力，球殼的整體應力在14.6MPa以下，柱體主體的應力在72.9MPa以下，最大應力點連接軸處為174.8MPa，均小于鋁合金的屈服強度274MPa，結構強度滿足設計要求。結構應力云圖和應變云圖可見圖6（a）與圖6（b）。

船載光電轉臺的最高臨界溫度為70℃，在高溫作用下，材料熱膨脹破壞原有的結構穩(wěn)定性，需要對其應力場與應變場重新驗證，其仿真結果如下：球殼與柱體整體應力均在82.3MPa以下，最大應力點在支撐架底部，數值為247.1MPa，小于鋁合金的屈服強度274MPa，滿足強度設計要求。結構應力云圖和應變云圖可見圖7（a）與圖7（b）。

圖6 －30℃應變示意圖Fig.6 Strain diagram at－30℃

圖7 70℃應變示意圖Fig.7 Strain diagram at 70 ℃

2.2.3 海浪振動下的結構穩(wěn)定性分析

海浪振動的載荷性質為動態(tài)隨機，要得到波浪載荷的頻譜應先對波浪載荷性質進行分析。根據概率論中平穩(wěn)隨機過程的求解理論可以得出，海浪的數學模型應為一個波面位移，服從均值為零的正態(tài)過程，具有平穩(wěn)性和各態(tài)歷經性。隨機平穩(wěn)性的定義是指隨機過程ξ（t）的任意有限維分布函數與時間起點無關，即對于任意正整數n和所有的實數Δ均可得到公式：

式中：fn（x，t）為隨機平穩(wěn)函數；x1，x2，…，xn為整數n的隨機取值；t1，t2，…，tn為取值的相應時間；Δ為實數。

又因為海浪譜可分為單一方向傳播的長峰波譜與各個方向傳播的短峰波譜，本文采用短峰波譜，國際上通用的2種海浪單方向波譜分別是Pierson－Moskowitz單 參 數 譜 即 （P－M 譜 ）與Bretschneider雙參數譜［10］。

Pierson－Moskowitz單參數譜適用于單方向傳播的海浪：

式中：S（ω）為海浪譜密度；g為重力加速度；HS為有義波高m；普峰頻率ωP＝0.4（g／HS）1／2。

Bretschneider雙參數譜［11］適用于單方向傳播的海浪和正在成形的海浪：

式中：S（ω）為海浪譜密度；TZ為平均跨零周期；HS為有義波高m；普峰頻率ωP＝0.4（g／HS）1／2。平均跨零周期TZ＝2π（m0／m2）1／2，m0與 m2為頻率譜的零階與二次矩。

船載光電轉臺的技術指標規(guī)定要在海浪等級三級下正常運轉，海浪浪高0～1.25m，包含了正在形成的海浪，所以選擇Bretschneider雙參數譜［12］比較合理。

將波浪載荷的頻譜輸入到ABAQUS，而后選用非線性顯示Newmark時間積分方法進行計算，可以得到5階頻率相應的振型。1～5階的振型對應頻率是1.815Hz、3.155Hz、4Hz、4.655Hz、5.218Hz，其振型的應變云圖如8所示。

圖8 隨機振動響應5階振型應變位移云圖Fig.8 5－order modal strain displacement with random vibration response

由圖可知，1階振型的轉臺整體向右傾斜，最大應變點在支撐架的右上角，位移量為1mm；2階振型的支撐架向外側分離，底盤柱體呈波浪型形變，其總體應變分布在0.5mm以下；3階振型的共振形變主要為底盤柱體，呈波浪型形變，其中應變峰值為1.02mm；4階振型的共振形變主要為兩側側蓋板，支撐架整體向內彎曲，最大應變點在右側側蓋的底部，形變量為1.05mm；5階振型的共振主要發(fā)生在球殼的鏡頭孔處，結構呈現向內部彎曲的趨勢，最大形變?yōu)?mm。1～5階振型的最大形變位置均不在轉軸附近，其轉軸附近并沒有受到大的變形激勵，所以在隨機振動下轉臺的結構穩(wěn)定性符合精度要求。

3 結論

本文根據技術指標設計出光電轉臺，由于海面風力、海浪起伏、晝夜溫差對轉臺結構穩(wěn)定性有較大的影響，為保證光電轉臺正常工作，必須對其機械結構進行環(huán)境穩(wěn)定性分析。在上述環(huán)境條件下，常規(guī)的結構校核計算很難準確對轉臺的環(huán)境穩(wěn)定性進行評估，本文采用了ABAQUS（CAE）軟件對機械結構進行有限元分析，可以計算出在海面風力條件下光電轉臺應力小于鋼的屈服強度355MPa；在溫差作用下最大應力小于鋁合金的屈服強度274MPa；所以設計的光電轉臺可以在海洋條件下正常工作。

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