機(jī)載光電設(shè)備隔振裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與性能分析

董海波，武文華

(大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

0 引言

空間飛行器、運(yùn)載火箭在主動(dòng)飛行階段會(huì)產(chǎn)生各種激勵(lì)，這種激勵(lì)會(huì)對(duì)其裝備的光電設(shè)備產(chǎn)生影響.由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作和跨音速階段的附面層干擾等情況造成了嚴(yán)重的振動(dòng)，此外，飛行器自帶的各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力干擾.所有這些動(dòng)力干擾環(huán)境都能引起火箭和飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)儀器設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并影響一些儀器設(shè)備的正常工作，甚至造成飛行器的運(yùn)行失控.為了抑制飛行器設(shè)備受到振動(dòng)影響所導(dǎo)致的零件疲勞、損傷和工作失效等問(wèn)題，為了保證儀器設(shè)備的正常使用，通常在所需要保護(hù)的機(jī)構(gòu)中安裝抗沖擊隔振裝置，通過(guò)裝置中隔振、吸能元件的聯(lián)合作用，從而減少外載荷對(duì)機(jī)載結(jié)構(gòu)的振動(dòng)作用，目前對(duì)于飛行器上所使用的高性能隔振設(shè)備的研究非常重要.

機(jī)載光電設(shè)備是安裝在航空飛行器上用于武器系統(tǒng)穩(wěn)瞄、光電偵察以及搜索營(yíng)救等用途的裝置［1］.在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，如何從敵我雙方獲取信息并進(jìn)行相關(guān)的信息識(shí)別和處理，從而判斷出敵我雙方的位置，進(jìn)而實(shí)施干擾或防護(hù)的功能是戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵.機(jī)載光電對(duì)抗穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)正是為滿(mǎn)足該需求而設(shè)計(jì)的光機(jī)電一體化系統(tǒng).機(jī)載光電對(duì)抗穩(wěn)定平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)捕獲、跟蹤和干擾，而且它是集光學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)、光電傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)為一體的多系統(tǒng)集成設(shè)備，體現(xiàn)了現(xiàn)階段新軍事變革對(duì)武器裝備的要求［2］.當(dāng)今光電設(shè)備已經(jīng)在軍事上有著廣泛而重要的用途，對(duì)機(jī)載光電設(shè)備的研究是軍事工程領(lǐng)域的一個(gè)重要課題.由于機(jī)載光電設(shè)備以飛行器為載體，飛行器振動(dòng)會(huì)通過(guò)機(jī)載光電設(shè)備的座架固定點(diǎn)傳到光電設(shè)備，影響光學(xué)器件的成像質(zhì)量，所以必須解決振動(dòng)問(wèn)題.現(xiàn)代軍事工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了阻尼減振技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用.航空飛行器在飛行的過(guò)程中需要隔振裝置對(duì)光電設(shè)備進(jìn)行隔振，使其能夠保證安全正常的使用.另外從設(shè)計(jì)要求和使用環(huán)境入手，設(shè)計(jì)機(jī)載光電設(shè)備的隔振支座，滿(mǎn)足設(shè)備的使用需求，同時(shí)也要考慮降低設(shè)計(jì)成本，達(dá)到事半功倍的效果.

1 振動(dòng)控制分類(lèi)

根據(jù)隔振裝置是否要求該振動(dòng)系統(tǒng)以外的能源裝置提供能量支持減振裝置正常工作，一般分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制幾種［3-5］.圖1給出了常用的工程結(jié)構(gòu)的減振控制分類(lèi).

圖1 減振系統(tǒng)分類(lèi)

2 振動(dòng)控制理論

圖2所示為一單自由度調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)簡(jiǎn)化計(jì)算模型.

圖2 TMD系統(tǒng)簡(jiǎn)化計(jì)算模型

它的運(yùn)動(dòng)微分方程表示為

令TMD系統(tǒng)相對(duì)于結(jié)構(gòu)的位移為x2，即

經(jīng)過(guò)計(jì)算得

一般采用傳遞率T和減振效率ε=(1－T)或振動(dòng)衰減量ΔLn=20lg(1/T)來(lái)評(píng)價(jià)減振效果.對(duì)于力激勵(lì)和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)來(lái)說(shuō)，兩種激勵(lì)形式的傳遞率是相等的，且都是激勵(lì)頻率的函數(shù)［7］，即

因此，力激勵(lì)時(shí)保護(hù)基座采用的技術(shù)原則和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)時(shí)保護(hù)動(dòng)力系統(tǒng)采用的技術(shù)原則是相同的.

3 橡膠隔振支座的力學(xué)性能

橡膠支座的力學(xué)性能如形狀系數(shù)、剛度取決于支座的形狀以及夾層橡膠的物理性能［8］.

3.1 橡膠支座的形狀系數(shù)

在疊層隔振橡膠支座的設(shè)計(jì)中，薄鋼板對(duì)橡膠夾層具有約束效應(yīng)，支座豎向剛度和承載力密切相關(guān)的第一形狀因數(shù)S1=D/(4tr)，與支座穩(wěn)定性相關(guān)的第二形狀因數(shù)S2=D/(ntr)，都與橡膠夾層層數(shù)、厚度、受壓面積和自由表面積有關(guān).

S1是與豎向剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度有關(guān)的參數(shù).S1越大，相對(duì)來(lái)說(shuō)橡膠片的厚度越薄，豎向剛度和彎曲剛度越大.S2是與承載能力和水平剛度有關(guān)的參數(shù).根據(jù)目前研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，一般要求S1≥15，S2=3～6.在此條件下，橡膠支座的極限壓應(yīng)力一般可達(dá)95～120 MPa，其受壓承載力的安全系數(shù)可達(dá)9～12，具有足夠大的安全儲(chǔ)備.

3.2 橡膠支座的剛度

橡膠支座的水平剛度分為純剪切式和壓屈式分別可按式(7)、(8)計(jì)算求得:

由式(7)、(8)可以看出，影響橡膠支座水平剛度的因素主要是橡膠材料的力學(xué)性能、豎向荷載以及剪切變形.

橡膠支座的豎向剛度可按照式(9)計(jì)算:

由式(9)看出，影響橡膠支座豎向剛度因素主要是橡膠材料的力學(xué)性能、豎向荷載以及剪切變形等.

4 隔振支座有限元模擬

根據(jù)飛機(jī)上空間和所采用的光電設(shè)備的質(zhì)量要求，結(jié)合支座的構(gòu)造圖，建立了隔振支座的有限元模型，如圖3所示.

圖3 隔振支座有限元模型

整個(gè)隔振支座由夾層橡膠、夾層鋼板和上下連接鋼板構(gòu)成.其中上下連接鋼板分別連接底部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)，并傳遞支撐力.支座內(nèi)部布置不同層數(shù)的夾層鋼板以提高橡膠支座的豎向剛度，使之能夠有效的支撐結(jié)構(gòu)物.夾層橡膠起到吸收能量、集中變形以及彈性復(fù)位功能.其隔振效果主要由隔振橡膠的厚度所控制.

圖4 模型網(wǎng)格圖

運(yùn)用ABAQUS軟件中的C3D8H單元模擬橡膠，C3D8R單元模擬鋼板.隔振支座的網(wǎng)格模型如圖4所示.光電設(shè)備質(zhì)量 M=180 kg，用質(zhì)量點(diǎn)模擬代替，橡膠夾層的直徑為500mm.通過(guò)設(shè)置外加激勵(lì)的形式，模擬光電設(shè)備的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為了更好的量化設(shè)計(jì)指標(biāo)和隔振效果，選取簡(jiǎn)諧激勵(lì) f(t)=Psinθ，通過(guò)改變P和θ的值來(lái)進(jìn)行多工況下的數(shù)值分析.

利用有限元分析，在外加激勵(lì)作用下可以得到光電設(shè)備質(zhì)量點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng).對(duì)阻尼比系數(shù)ξ=0.08的橡膠隔振支座與初始外加激勵(lì)P=0.01相比較，從圖5中看出隔振支座的減振效果接近85%.

圖5 振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

圖6給出了隔振支座的總體應(yīng)力分布圖，由圖中可知該支座在垂直方向的最大應(yīng)力為26.1 MPa，出現(xiàn)在橡膠夾層中.

圖6 支座的應(yīng)力分布圖

5 多種型號(hào)隔振支座模擬

改變支座中夾層橡膠和鋼板的層數(shù)、厚度，構(gòu)造不同型號(hào)的隔振支座.分別對(duì)各個(gè)型號(hào)隔振支座進(jìn)行相同外加激勵(lì)條件下的模擬分析，對(duì)各個(gè)支座的振動(dòng)響應(yīng)的進(jìn)行對(duì)比，總體來(lái)看，各個(gè)支座的減振效果都很明顯，如附表所示.

附表 各種型號(hào)(D/tr/n)支座第一和第二形狀因數(shù)值

附表 各種型號(hào)(D/tr/n)支座第一和第二形狀因數(shù)值(續(xù))

為了進(jìn)一步驗(yàn)證阻尼比對(duì)減振結(jié)果所起到的作用，針對(duì)500/7/14支座類(lèi)型，分別使用三種符合橡膠隔振器規(guī)范的阻尼比(0.08、0.09、0.10)進(jìn)行模擬計(jì)算.可以看出隨著阻尼比的增加，支座的隔振效果也逐步增加.阻尼比為0.10的橡膠其隔振效果接近90%.如圖7、圖8所示.

圖7 三種支座振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

圖 8 阻尼比分別為 ζ =0.08、0.09、0.1 結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

本文根據(jù)飛機(jī)中空間布置和機(jī)載光電設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行了多種疊層橡膠隔振支座設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件ABAQUS對(duì)所設(shè)計(jì)的隔振支座進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)模型施加初始幅值為0.01 m的簡(jiǎn)諧激勵(lì)，分析光電設(shè)備在隔振支座作用下的振動(dòng)響應(yīng).根據(jù)模擬結(jié)果來(lái)看，疊層橡膠隔振支座能夠很好的對(duì)機(jī)載光電設(shè)備進(jìn)行減振，在飛機(jī)的飛行過(guò)程中，可以對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性起到很好的效果，使光電設(shè)備能夠在相對(duì)比較穩(wěn)定的環(huán)境下工作，在較保守的阻尼比為0.08的情況下，其減振效果能夠超過(guò)80%，在阻尼比為0.10的情況下起隔振效果能夠近似90%.

疊層橡膠支座優(yōu)化設(shè)計(jì).疊層橡膠支座的水平剛度、豎向剛度等性能很大程度上依賴(lài)于橡膠支座的形狀系數(shù)，同時(shí)形狀因數(shù)還會(huì)影響疊層橡膠支座的隔振效果.疊層橡膠支座的豎向剛度很大，而水平剛度相比較就小了許多，有的橡膠支座的水平剛度為豎向剛度的1/1 000，對(duì)于某些特定的情況，利用水平剛度小的支座減振效果更好，但是有些時(shí)候需要豎向剛度和水平剛度都很大的支座.得到合理的水平剛度、豎向剛度并能根據(jù)需要增強(qiáng)其應(yīng)用范圍和穩(wěn)定性.

對(duì)于橡膠材料的性能的選擇.橡膠材料的彈性模量相對(duì)于金屬材料較小，但是其泊松比較大，接近0.5，通常情況下可以認(rèn)為橡膠是一種不可壓縮的材料，很明顯的是阻尼比越大，減振效果更好.橡膠還是一種容易老化的材料，還要考慮到設(shè)備的使用頻率，支座的更換也是在所難免的.這就需要在選取材料的時(shí)候，選擇高阻尼抗老化的特種橡膠，這樣不但可以提高疊層橡膠減振支座的減振性能，而且還可以提高支座的使用壽命.但是相對(duì)于天然橡膠來(lái)說(shuō)，特種橡膠的生產(chǎn)流程相對(duì)很長(zhǎng)，還會(huì)受到技術(shù)等因數(shù)的限制，高阻尼抗老化橡膠材料的開(kāi)發(fā)研究也需要更進(jìn)一步.

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