陈学友 徐兴盛 杨新

摘 要：针对某车载平台工作环境的特点，通过模态分析、强度校核以及工艺设计给出的新型龙门架装置，解决了跨度大引起大的应力与变形，使整个机构重量轻，而且避免频率共振引起抖动问题，便于安装与运输。同时利用ansys软件对关键零件进行了有限元分析，结果表明，龙门架装置稳定可靠，可以很好的满足在工作的测试系统的需要，并且对同类设计具有较好的参考价值。

关键词：模态分析 结构设计 龙门架装置

一、引言

现代社会，多种行业需要将观测或侦测设备（如雷达、高清摄像机、全向云台、光学检测设备等等）升空使用，车载升降杆就是这种需求常见的一种情形，将这些设备在视线受阻、空间受限的状态下方便、可靠的在升降杆杆顶安装固定，则构成了其展开正常工作的必要条件。

某车载平台（以下简称平台）为进行地面目标物的探测，要求安装光学检测设备。由于平台的限制条件，车载升降杆安装固定不适合该平台。根据目前平台安装环境，允许的安装空间分布在平台后方，且跨度2000mm，大小为180x240（单位，mm）平面上。此外，固定光学检测设备装置其频率不能与车体发生共振，以避免引起光学检测设备抖动，影响测量精度。且承重以及稳定性要可靠牢固。

针对上述问题，经过ansys模拟分析、强度校核以及工艺设计，提出了一种车载龙门架结构固定安装形式。该装置解决了跨度大引起大应力及变形，使整个机构重量轻，而且避免频率共振引起抖动问題。

本文设计给出的新型龙门架结构简单、紧凑，在保证光学检测设备的俯仰旋转角度范围的同时，通过可靠的走线设计，实现对光学检测设备的电连接稳定可靠，确保了系统测试性、维修性、保障性的要求。

二、性能特性

根据光学检测设备工作环境的特点，为保证系统的测量精度及可靠性，避开平台前端障碍物，承载能力≥20kg，平台的固有频率为6Hz，并且能够承受10g冲击振动。

三、系统组成、功能

光学检测设备测试系统主要由龙门架装置、光学检测设备组成。龙门架装置固定安装光测试设备。工作状态时，平台的速度以一定速度行驶，光学检测设备进行地表目标物探测。

3.1装置结构设计

龙门架装置用于固定安装光学检测设备，主要由龙门架、底板、快锁装置、法兰、控制板、光学检测设备等部件组成。

其中，光学检测设备通过快装装置固定在龙门架上，可以快速拆卸。设计之初，经过多次方案论证及修改，确定了两种结构形式，如图1所示。龙门架装置的外形尺寸为2120mm×160×mm×1240mm（长×宽×高）。整个骨架采用普通钢板折弯焊接组成。

3.2 强度分析

工作状态时，平台速度以一定速度行驶，设定龙门架装置在急刹车状态下，受到10g的冲击载荷。龙门架顶部安装光学检测设备总重20kg。龙门架材料采用普通钢，选用其中一种结构形式，分别对采用板厚为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm的钢板折弯焊接而成的龙门架骨架进过强度校核，通过ansys软件度分析计算，得出变形与受力分别如图2、图3。

从上表可以看出，龙门架板厚由1.5mm到3mm逐渐递增，计算出相应的应力与应变值逐渐递减。考虑安全承载的能力、重量、控制板安装及结构加工工艺性的要求，龙门架采用板厚为2.5mm板材折弯焊接。

3.3 模态分析

龙门架的整个骨架采用2.5mm普通钢板折弯焊接组成。为防止龙门架装置与平台发生共振，影响光学检测设备测量的稳定性。需要对龙门架装置进行模态分析。

不同的结构形式必然产生不同的模态，利用ansys软件对上述两种结构形式进行模态分析。如下图4，图5，图6.为两种龙门架结构计算模态对比图。

从上表可以看出，因为平台的固有频率为6Hz，所以选用一阶频率与固有频率6Hz避开的结构1形式。避免龙门架装置与平台发生共振。

3.4 减重设计

通过上述计算，龙门架的整个骨架采用2.5mm普通钢板折弯焊接组成，这样既可以保证整体结构的刚度和强度，又可以有效的减轻重量，另一方面通过对结构件增加减轻槽，进一步减轻重量，具体估算重量见表3。

3.5 走线设计

为了使整个光学检测装置的走线既稳定可靠又美观，对整个装置走线方式进行设计，主要原理将设备线缆由龙门架内腔送入平台内部终端控制设备。

通过在内侧留有多个进线端口，方便操作人员进行穿线；在龙门架的侧壁焊接小块，方便操作人员固定线缆。这些措施不仅提高了线缆的操作性及其维修性，同时也起到防风防尘效果。具体走线方式如图7所示。

此外，龙门架骨架及底板都进行了导电氧化处理，这对外界电磁干扰起到一定屏蔽作用。

四、结构工艺性

设计中充分考虑结构的合理性及工艺性，在保证功能和精度的要求下，采用成熟、易于加工的结构形式。

为了保证龙门架板筋焊接精度，零件的设计通过尺寸公差及形位公差保证；对快锁装置有形位公差的孔、槽进行一体加工；在保证连接强度下，法兰采用10mm厚7075铝合金板材，这样既保证了强度，又大大减轻了龙门架装置的总重量。

五、三防设计

为提高设备的三防性能，采用材料防护、工艺防护、结构防护（防尘）等措施，具体措施如下：

a）设计有防水设施或密封措施；

b）所有焊缝部位进行焊渣和氧化皮的清除；

c）钢结构件喷涂前做镀覆处理，喷涂中间漆和三防面漆；

d）对焊点、电路板等采用喷涂三防漆措施；

e）线缆接口采用航空接头。

六、结束语

针对某新型平台工作状态，文章主要对龙门架装置的设计思路、计算校核及仿真等做了详细的阐述与分析。分析和实验的结果均表明，新型龙门架装置结构设计新颖、简单、紧凑，环境适应性强，在保证了光学检测设备的俯仰旋转角度范围的同时，通过可靠的走线设计，为测试系统提供了稳定可靠的平台，可以完全满足在平台以一定速度下工作的测试系统的需要。

参考文献：

[1] 四零二室.天线结构设计[M]. 西安：西北电讯工程学院 1975：43-63.

[2] 鲍成艳.Top-down方法在功放组件结构设计中的应用[J]. 电子机械工程，2012，28（3）：44-47.

[3] 全大鹏，李建勇，王恒，等基于Ansys workbench的固晶臂机构柔性动力学分析[J]机电工程，2012，29（10）：1146-1149

[4] 黄志新，刘成柱 Ansys workbench14.0超级学习手册[M]，B北京：人民邮电出版社，2013-4

[5] 徐格宁，杜蜀，李聚轩，等龙门吊机门架结构的有限元分析[J]B 起重运输机械，1997（1）8-11

[6] 肖黎明Pro/E 零件设计完全解析[3]B 北京： 中国铁道出版社，2011：103-107

[7] 唐敏 单主梁龙门起重机结构动态优化研究 [D]. 中南林业科技大学，2013.