经纬仪跟踪架拓扑优化设计及力学性能仿真分析

0 引言

    光电经纬仪是一种精密的光电跟踪与测量设备，用于实时准确地测量空中飞行目标的飞行轨迹数据及姿态。在现代化的靶场中，光电经纬仪在导弹弹道测量、火箭发射实况记录、航天器及空间站飞行状态观测等方面起着重要作用。跟踪架是经纬仪的核心承载部件，用于支撑经纬仪中的光学系统，实现水平位和方位两个方向的转动。跟踪架对于光电跟踪系统是至关重要的，跟踪架中的两个轴系的精度直接影响经纬仪的跟踪精度和伺服控制响应性等性能。在跟踪架的结构设计中，如何降低整体结构的质量，提升整体支撑结构的支撑刚度尤为重要。传统跟踪架的结构设计基本基于设计人员的经验，设计具有一定的盲目性，通过选取非常大的安全余量来保证跟踪架的性能，这就导致跟踪架的重量很大，影响了经纬仪的机动灵活性。

    国内外的一些学者对经纬跟踪架的结构轻量化方面开展了一些研究工作。伞晓刚对1米口径经纬仪跟踪架的基座、转台、四通这三个核心支承部件进行了轻量化设计，把传统的钢板焊接形式改为桁架蒙皮支撑结构形式，在保证跟踪架的支撑刚度和固有频率的前提下实现了较大程度的轻量化。王涛等对经纬仪的地平式跟踪架进行有限元分析，计算了静态载荷下的跟踪架变形，并分析其对经纬仪精度的影响与实验测试结果进行比较。郭劲等对精密焊接结构在大型光电跟踪架中的应用进行了研究，介绍了跟踪架精密大件采用焊接结构的设计方法、减小焊接变形、消除焊接应力以及保证焊接件尺寸稳定性的途径。梁红艳等对大口径望远镜跟踪架的结构形式进行了研究，并对赤道式和地平式两种跟踪架的结构特点进行了对比分析。

    随着拓扑优化理论和计算机仿真技术的发展，通过拓扑优化确定跟踪架中关键承载结构的初始构型再进行详细结构设计，并对设计结构进行有限元仿真校核其力学性能成为一种快速有效的跟踪架设计方法。使用该方法可以大大缩短跟踪架的结构设计周期，实现跟踪架的轻量化，同时提升跟踪架的力学性能指标。本文基于拓扑优化中的变密度法理论应用Comsol软件平台，通过二次开发实现某经纬仪跟踪架中的关键承载结构件的结构优化设计，并对跟踪架的整体力学性能进行了有限元仿真校核，与初始跟踪架结构的力学性能指标进行了对比分析。

1 初始跟踪架结构

    初始跟踪架的外形图如图1所示，主要包括四通、转台、基座、水平轴系、垂直轴系几大组成部分。其中四通、转台和基座是跟踪架的主要承载零件，本文主要对这三个零件进行轻量化设计。跟踪架的转台、四通和基座的材料为硬铝合金，其密度为2774kg/m3,杨氏模量为73.llGpa，泊松比为0.33。