陀螺組件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析和減振設(shè)計(jì)

高晨光，陳小娟

(北京控制工程研究所，北京100190)

陀螺組件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析和減振設(shè)計(jì)

高晨光，陳小娟

(北京控制工程研究所，北京100190)

針對(duì)慣性姿態(tài)敏感器陀螺組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)過大的問題進(jìn)行分析研究.建立了陀螺組件結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，通過安裝金屬橡膠減振器并在結(jié)構(gòu)中合理布置高阻尼比的阻尼材料綜合解決陀螺頭部振動(dòng)響應(yīng)過大的問題.對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值仿真和振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，金屬橡膠減振器和約束阻尼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能有效降低陀螺頭部的高頻響應(yīng)，保證了陀螺儀在發(fā)射段環(huán)境條件下的可靠性.

陀螺組件;減振器;約束阻尼結(jié)構(gòu)

0 引言

慣性姿態(tài)敏感器是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的主要測(cè)量部件之一，用于測(cè)量衛(wèi)星本體對(duì)慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速度，為衛(wèi)星提供長(zhǎng)期的姿態(tài)基準(zhǔn).慣性姿態(tài)敏感器由陀螺儀、安裝底座、減振系統(tǒng)等組成，其中陀螺儀是慣性姿態(tài)敏感器的核心敏感部件.陀螺儀按照一定的空間布局安裝在底座上，組成陀螺組件.

陀螺儀是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密慣性元件，對(duì)力學(xué)環(huán)境敏感，嚴(yán)酷的力學(xué)條件輕則引起陀螺參數(shù)的變化，重則會(huì)影響陀螺壽命甚至失效.陀螺組件在工作過程中，要承受外部環(huán)境帶來的隨機(jī)振動(dòng)、沖擊、加速度等載荷.在組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要保證結(jié)構(gòu)在載荷作用下的完整性，不發(fā)生破壞和變形;同時(shí)，外部載荷通過底座傳遞到陀螺儀上，還要保證作用在陀螺儀上的激勵(lì)盡可能小，以減輕各種外力對(duì)陀螺儀造成的破壞.由于陀螺組件的柔性，高頻振動(dòng)環(huán)境等復(fù)雜因素，帶來了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的諸多耦合效應(yīng)和局部振動(dòng)，嚴(yán)重影響了陀螺儀工作的可靠性.因此，在陀螺組件機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)采取切實(shí)可行的減振措施，以滿足發(fā)射階段和工作階段各種力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性的要求.

本文針對(duì)慣性姿態(tài)敏感器陀螺組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)過大的問題進(jìn)行分析研究.總結(jié)了陀螺組件設(shè)計(jì)過程中的動(dòng)力學(xué)分析、減振設(shè)計(jì)過程，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證.通過減振器和約束阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，有效的減小了陀螺儀上的振動(dòng)響應(yīng).保證了陀螺儀工作的精度和可靠性.可作為類似產(chǎn)品減振設(shè)計(jì)的參考.

1 陀螺組件的結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析

1.1 陀螺組件的結(jié)構(gòu)組成

陀螺組件作為一個(gè)整體，需要滿足產(chǎn)品性能、強(qiáng)度、工藝、可靠性等方面的要求.產(chǎn)品性能方面，需要滿足陀螺儀的指向和安裝精度要求;強(qiáng)度方面，需要保證陀螺儀和其他部件在外部激勵(lì)作用下的動(dòng)強(qiáng)度和疲勞壽命等.其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 陀螺組件示意圖Fig.1Schematic diagram of gyro component

1.2 陀螺組件結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性

在寬頻隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，陀螺組件的動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)出了以下特點(diǎn)［1-3］:

1)陀螺組件是具有多個(gè)自由度的分布參數(shù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，各元件在不同方向激勵(lì)下的響應(yīng)存在各種耦合效應(yīng)［1］;

2)其激勵(lì)頻率涵蓋了0～2 000 Hz的頻率范圍(寬頻隨機(jī)振動(dòng))，且陀螺儀對(duì)800～2 000 Hz的高頻段敏感;

3)陀螺組件具有是具有一定柔度的彈性體.要考慮彈性體的諧振效應(yīng).在寬頻帶的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下，在高頻產(chǎn)會(huì)生多個(gè)共振峰，降低高頻段的隔振效果［1］.

在確定陀螺組件結(jié)構(gòu)方案后，進(jìn)行了基于有限元模型的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析.以10節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐值鬃W(wǎng)格，單個(gè)螺釘用梁?jiǎn)卧M，螺釘連接主要以MPC進(jìn)行建模.將底座安裝孔節(jié)點(diǎn)連接到單個(gè)節(jié)點(diǎn)上，然后在此節(jié)點(diǎn)施加相應(yīng)的激勵(lì)或約束.

模態(tài)分析結(jié)果表明，前十階模態(tài)頻率分別為: 1 294，1 297，1 372，1 384，1 384，1 495，1 611，1 611，1 781，1 788 Hz，最大位移點(diǎn)均位于頭部的頂端，由于底座的剛度很大，一階固有頻率大于3 000 Hz，所以前十階模態(tài)均表現(xiàn)為頭部自身的擺動(dòng)(圖2).

圖2 陀螺組件振型Fig.2Gyro component vibration mode

如圖3所示，對(duì)陀螺組件結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了模擬振動(dòng)試驗(yàn).在800～1 200 Hz的頻段附近，陀螺組件出現(xiàn)了共振峰值，并且，陀螺儀上的振動(dòng)響應(yīng)過大，其加速度響應(yīng)放大倍數(shù)達(dá)到了輸入值的3倍，易造成陀螺儀動(dòng)壓馬達(dá)等精密部件的破壞.

圖3 陀螺組件結(jié)構(gòu)件振動(dòng)模擬試驗(yàn)Fig.3Vibration simulation test of gyro component

2 陀螺組件的減振設(shè)計(jì)

2.1 陀螺組件的減振設(shè)計(jì)要求

陀螺組件在衛(wèi)星發(fā)射階段經(jīng)歷加速度、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊等多種力學(xué)環(huán)境，其中對(duì)陀螺儀影響最為明顯的是隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境.其涵蓋了0～2 000 Hz的頻率范圍.根據(jù)陀螺儀振動(dòng)損傷的分析和驗(yàn)證，有相當(dāng)數(shù)量的陀螺儀是因?yàn)殡S機(jī)振動(dòng)放大導(dǎo)致軸承損傷所致，所以控制陀螺儀的諧振，減小傳遞到陀螺儀上響應(yīng)峰值，尤其是800 Hz～1 600 Hz頻段內(nèi)的響應(yīng)值，是保證陀螺儀可靠工作的重要手段.考慮到陀螺組件在整星上的安裝要求和陀螺儀自身的可靠性，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求:基頻應(yīng)大于100 Hz;共振點(diǎn)頻率應(yīng)避開800 Hz～1 600 Hz的陀螺儀敏感頻段;在敏感頻段和共振點(diǎn)的響應(yīng)放大倍數(shù)應(yīng)足夠小.

由于陀螺組件對(duì)高頻振動(dòng)敏感，且陀螺儀安裝具有一定柔度，單純依靠減振器很難抑制陀螺儀上的高頻響應(yīng).因此，綜合采用減振器和局部約束阻尼層來綜合改善陀螺儀上的振動(dòng)響應(yīng).

2.2 減振器的應(yīng)用

減振器設(shè)計(jì)要求:合理選擇減振器的參數(shù)，使系統(tǒng)的共振頻率滿足大于100 Hz和小于800 Hz的要求.隨機(jī)激勵(lì)經(jīng)過減振器濾波后，系統(tǒng)的響應(yīng)具有窄帶的形狀，只有在ωn附近的共振區(qū)內(nèi)才有大量的能量通過，使能量集中許陀螺儀不敏感的區(qū)域，并且諧振頻率滿足整星安裝的要求.

直接對(duì)陀螺組件建模很難準(zhǔn)確的反應(yīng)其動(dòng)態(tài)特性.為了簡(jiǎn)化理論分析過程，將其作適當(dāng)簡(jiǎn)化，以識(shí)別出必要的特征參數(shù)，作為減振器設(shè)計(jì)的依據(jù).

假設(shè)陀螺組件為剛性體，忽略各方向的耦合.根據(jù)陀螺組件的結(jié)構(gòu)組成，陀螺儀安裝在底座上，底座承受來自外界環(huán)境的各種激勵(lì).設(shè)計(jì)減振器參數(shù)時(shí)，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將底座和陀螺儀視為整體的被隔振對(duì)象.

從陀螺組件安裝面到陀螺儀之間的振動(dòng)傳遞的動(dòng)態(tài)特性可近似的用圖4的質(zhì)量系統(tǒng)模擬，其中圖中的質(zhì)量mg和mb分別代表底座和陀螺儀的質(zhì)量，K和C等效為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接件的剛度和阻尼.

圖4 單軸方向上的振動(dòng)模型［1］Fig.4Single axis vibration model

選用具有遲滯阻尼特性的金屬橡膠阻尼器.金屬橡膠是由金屬絲纏繞、模壓而成的一種均質(zhì)的彈性多孔物質(zhì)，既具有金屬的固有特性，又擁有類似于橡膠的彈性.其阻尼可用耗散系數(shù)衡量，耗散系數(shù)可表示為［4-5］

阻尼系數(shù)C可表示為:

式中:ξ為阻尼比，ω為減振器的工作頻率，m為系統(tǒng)質(zhì)量，ωn為系統(tǒng)的固有頻率.

將mg和mb視為整體的被隔振對(duì)象，在一個(gè)方向上可將其視為單自由度、單軸向系統(tǒng)，如圖5所示.減振系統(tǒng)的力傳遞率可表示為［1，4］

式中:β為應(yīng)變落后于應(yīng)力的遲滯角.

圖5 具有遲滯阻尼減振器的單軸系統(tǒng)模型Fig.5Single degree of freedom hysteretic damping system

按照簡(jiǎn)化后的單自由度系統(tǒng)的模型，初步確定減振系統(tǒng)的參數(shù).實(shí)際工程中，金屬減振器的剛度和阻尼大小與振動(dòng)頻率和幅值相關(guān)，因此在計(jì)算中，需要利用已有的實(shí)際值(ωn等)，反復(fù)迭代計(jì)算，獲得減振器的理想?yún)?shù)［1，4］.

金屬阻尼器對(duì)稱安裝在底座的三個(gè)安裝腳上，如圖6所示，通過調(diào)整套筒長(zhǎng)度，可調(diào)整阻尼器的剛度和阻尼，得到滿足要求的基頻和共振峰.

圖6 金屬減振器安裝方式Fig.6Metal rubber damper installation mode

2.3 約束組尼層的應(yīng)用

陀螺組件安裝金屬減振器后，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)得到顯著改善，對(duì)危害陀螺組件安全的較高頻率的振動(dòng)進(jìn)行了部分隔離.在此基礎(chǔ)上，針對(duì)陀螺儀自身在敏感頻段內(nèi)的共振峰，增加結(jié)構(gòu)阻尼進(jìn)一步改善其高頻響應(yīng).

陀螺儀自身的共振峰與陀螺組件的柔性、高頻響應(yīng)等復(fù)雜因素相關(guān).此外，金屬減振器具有內(nèi)遲滯效應(yīng)，其阻尼和剛度與激勵(lì)頻率、峰值相關(guān)，在高頻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生駐波效應(yīng)，在高頻段產(chǎn)生多個(gè)共振峰［1］.因此，很難完全依靠減振器對(duì)所有頻譜成分隔離.為進(jìn)一步消除這些共振峰，在已有的結(jié)構(gòu)上，增加約束阻尼層，是一種可實(shí)施性強(qiáng)，效果明顯的減振方式［2，6］.

選用Zn-1橡膠作為約束阻尼層的阻尼材料，Zn-1型阻尼材料是一種以丁基橡膠、硅橡膠為基礎(chǔ)的粘彈性阻尼材料，特別適用于用作約束阻尼的夾心層［6-7］，其性能如表1所示.粘彈阻尼材料是一種兼有粘性液體和彈性固體物理特征的阻尼材料.當(dāng)其受到外力作用產(chǎn)生周期變形時(shí)，迫使分子鏈段產(chǎn)生相對(duì)位移，通過分子間的摩擦，把一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟模瑥亩鸬阶枘釡p振作用［7-8］.在振動(dòng)和噪聲控制中，粘彈阻尼材料得到了廣泛的應(yīng)用.

表1 Zn-1系列阻尼材料主要性能［8-9］Tab.1Properties of ZN-1 viscoelastic damping material

阻尼層的布置方式如圖7和圖8所示.阻尼層粘結(jié)在底座支架與頭部下端之間.增加Zn-1阻尼板，能有效的抑制陀螺表頭上800～1 600 Hz的高頻響應(yīng).圖9是安裝約束阻尼層后陀螺組件的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)曲線，可見，在800 Hz～1 600 Hz的敏感頻段，振動(dòng)的響應(yīng)量級(jí)明顯降低.

圖7 約束阻尼層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7Diagram of constrained damping layer structure

圖8 陀螺組件阻尼減振結(jié)構(gòu)示意Fig.8Damping layer structure of gyro component

3 振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)減振后的陀螺組件進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，以驗(yàn)證減振設(shè)計(jì)效果.試驗(yàn)結(jié)果表明，安裝金屬減振器和約束阻尼層后，陀螺儀上振動(dòng)響應(yīng)的總均方根值明顯降低.

圖9 安裝約束阻尼層后的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)曲線Fig.9Sweep frequency vibration response

表2給出了減振前后，陀螺儀上的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)值，G1、G3、G5為3個(gè)不同方向的陀螺儀，X、Y、Z為振動(dòng)方向.減振后，陀螺儀馬達(dá)軸向上的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)明顯降低.

表2 減振前后隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)對(duì)比Tab.2Random vibration response with and without vibration suppression

圖10是安裝減振器和約束阻尼層后組件的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)曲線，由圖可見，陀螺組件的諧振頻率在100～200 Hz之間，在800～1 600 Hz的敏感頻段響應(yīng)均方根值遠(yuǎn)小于輸入值.

圖10 陀螺儀隨機(jī)功率譜響應(yīng)Fig.10Random vibration response

試驗(yàn)過程中，對(duì)陀螺儀電性能進(jìn)行了測(cè)試，陀螺儀工作正常，試驗(yàn)前后陀螺儀性能測(cè)試數(shù)據(jù)一致.

4 結(jié)論

本文針對(duì)陀螺組件振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)過大的問題進(jìn)行分析研究，通過數(shù)值仿真和振動(dòng)試驗(yàn)分析了陀螺組件的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了減振措施的有效性，結(jié)果表明:

通過合理的減振器設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的基頻和共振峰.寬頻隨機(jī)激勵(lì)經(jīng)過減振器濾波后，系統(tǒng)的響應(yīng)具有窄帶的形狀，其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)得到顯著改善.

對(duì)于結(jié)構(gòu)的寬頻隨機(jī)振動(dòng)，采用簡(jiǎn)化模型迭代計(jì)算，可以得到有效的減振器參數(shù).

在適當(dāng)?shù)奈恢貌捎眉s束阻尼層，能有效地抑制局部振動(dòng)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)峰值，減小整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí).

在實(shí)際應(yīng)用過程中，響應(yīng)值對(duì)減振器的參數(shù)，阻尼層的厚度、預(yù)緊量以及粘接方式等因素均比較敏感，需要通過反復(fù)計(jì)算和試驗(yàn)迭代以得到有效的結(jié)果.

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Dynamic Characteristic Analysis and Anti-Vibration Design for Gyro Component

GAO Chenguang，CHEN Xiaojuan
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

The problem of the random response of a certain type of inertial attitude sensor in the structural design of the gyro component is analyzed.The dynamic model of the structure of the gyroscope is established.The vibration response of the top head is solved by installing the metal rubber shock absorber and reasonably arranging the damping material with damping ratio in the structure.The results of vibration test and numerical simulation show that，the application of metal rubber damper and damping structure can significantly reduce the response of gyro under the environmental conditions of high frequency random vibration，and can improve the reliability of the gyro during the launch stage.

gyro component;shock absorber; constrained damping structure

V249

A

1674-1579(2016)06-0042-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.00.008

高晨光(1979—)，男，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)控制;陳小娟(1970—)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教鞈T性敏感器.

2016-08-01