基于Matlab三轴惯导测试转台结构分析

基于Matlab三轴惯导测试转台结构分析

摘 要：三轴惯导测试转台作为惯导测试设备，其精度直接影响惯导设备的精度，而中框回转精度在三轴精度相对较差。影响其中框回转精度的因素主要包括轴系结构以及框架的刚度。该文主要通过Matlab软件对中框结构进行分析，分析的结果可用于对转台的中框的优化设计。

关键词：三轴转台 MATLAB 有限元法 结构分析

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2015)08(a)-0012-03

Structural Analysis of the Triaxial Inertial Navigation Test Table Based on Matlab

Luan Jinze Guo Yide

Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry (BPEI)， China Aviation Industry Corp (AVIC)， Beijing， 100191 China

Abstract： As a kind of equipment for inertial test， the precision of three-dimensional inertial test turntable leads to the precision of inertial navigation equipment. Among the three-axis precision， the rotary precision of medium frame is the worst， which is affected generally by shaft structure and frame stiffness. This paper mainly analyses the structure of medium frame by using MATLAB. The results can be used for optimal design of the medium frame.

Key Words： Three-dimensional turntable； MATLAB； FEA； Structural analysis

三轴惯导测试与运动仿真设备(以下简称转台)被广泛应用于航空、航天、航海和武器领域，进行各种测试、标定及仿真实验。随着现代化科学技术的飞速发展，领域越来越深入，研究的问题越来越朝着高、精、尖的方向发展。尤其在航空航天航海等领域，用户不断的对各种标定、测试和仿真实验方面提出新的要求，现如今，随着军事工业，尤其是航天和航海事业的不断发展，对惯性器件的精度提出了越来越高的要求，惯性器件精度要求的提高迅速促进了惯性器件测试技术的不断发展。该文针对某立式UOO型三轴惯导测试转台，采用Autodesk Inventor进行三维实体建模，通过Matlab软件对该转台中框进行结构分析。

1 三轴惯导测试转台的优化设计

1.1 三轴转台的结构设计

某立式UOO型三轴惯导测试转台(以下简称三轴转台)主要由外框、中框和内框三个轴系组成。转台的综合性能，包括静动态性能和机械精度，主要是由转台的轴系有较大关系。通常情况下，转台轴系包括主轴、轴承、框架以及相应的紧固件和力矩电机、码盘等精密的功能部件。

1.2 基于有限元法的转台结构分析方法

有限元法分析的基本原理就是先要对需要分析的连续几何体开展离散处理，按一定规则将整体划分为单元，这些单元具有特定数量且按规则定义的条件相互连接，再对由单元组合而成的组合体进行分析，将不规则的复杂物体转化为模型化的特定单元进行求解计算。鉴于机械结构的形状复杂多变，载荷情况也丰富多样，利用力平衡方程、几何变形方程和力与位移的边界条件将微小单元进行计算。无论变形结构单元的几何形态、边界条件存在怎样的差异，建立的基本变量和方程仍然不变。由于Ansys软件对于整体刚度矩阵无法采取调出计算，只能通过变形量反映结构刚度的变化，故在此采用了Matlab编程计算结构整体刚度矩阵的方法。

对于三轴转台来说，其本身是一个连续体，内部没有自然节点，需要进行人工离散，将原有的转台划分为有限个单元连续的节点，通过对节点的分析得到近似转台结构的分析结果。按照有限元4节点四面体或8节点六面体单元划分实体。根据划分的单元不同，单元的刚度矩阵也不同。所以，在此我们必须要结合计算机的运算资源和结果所需精度进行综合考量，最终确定划分单元的方法。

由于节点在X、Y、Z轴上均可产生位移向，因此八节点综合可以得到24个位移向，单元的