星載相機(jī)隔振器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和隔振性能分析

劉世平 熊 琦 李世其 王 躍

1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，4300742. 北京空間機(jī)電研究所，北京，100076

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星載相機(jī)隔振器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和隔振性能分析

劉世平1熊 琦1李世其1王 躍2

1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，4300742. 北京空間機(jī)電研究所，北京，100076

基于黏彈性材料在剪切力作用下產(chǎn)生較大阻尼損耗的原理，初步設(shè)計(jì)了一種星載相機(jī)隔振器。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合有限元分析的方法，詳細(xì)探究了隔振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其固有頻率和模態(tài)損耗因子的影響，據(jù)此對(duì)隔振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。建立了相機(jī)隔振系統(tǒng)的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)強(qiáng)度校核和隔振性能分析,結(jié)果表明，使用該隔振器的相機(jī)隔振系統(tǒng)能滿足衛(wèi)星發(fā)射階段的力學(xué)環(huán)境要求，并具有較好的隔振效果。

隔振器；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；隔振系統(tǒng)

0 引言

星載相機(jī)在發(fā)射至預(yù)定軌道的過(guò)程中，會(huì)受到多種靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷的影響，如過(guò)載、熱載、振動(dòng)和噪聲等，力學(xué)環(huán)境相當(dāng)惡劣。從頻譜分布來(lái)看，環(huán)境載荷包含幾十赫茲的低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)、幾百到幾千赫茲的中高頻隨機(jī)振動(dòng)和聲激振動(dòng)。據(jù)調(diào)查，45%的衛(wèi)星發(fā)射失敗是由發(fā)射階段的振動(dòng)造成的[1-3]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往以加大體積和重量的代價(jià)來(lái)?yè)Q取衛(wèi)星平臺(tái)和相機(jī)的穩(wěn)定性，這與航天器的小型化、輕量化、精密化發(fā)展趨勢(shì)相矛盾。解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效方法是依據(jù)相機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能及衛(wèi)星平臺(tái)的擾動(dòng)環(huán)境，研制出相機(jī)專用高性能隔振器及隔振系統(tǒng)，使相機(jī)在火箭發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)下不會(huì)損壞，為其穩(wěn)定地工作提供保障[4-6]。

本文對(duì)結(jié)構(gòu)形式初定的相機(jī)隔振器采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合有限元分析的方法，詳細(xì)探究其幾種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響，根據(jù)隔振系統(tǒng)的力學(xué)強(qiáng)度和隔振性能要求，對(duì)隔振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。用優(yōu)化后的隔振器組成相機(jī)隔振系統(tǒng)并進(jìn)行模態(tài)、靜力過(guò)載以及諧響應(yīng)等計(jì)算，分析相機(jī)隔振系統(tǒng)的力學(xué)強(qiáng)度和隔振性能。

1 相機(jī)隔振器和隔振系統(tǒng)

相機(jī)隔振器就是安裝在衛(wèi)星平臺(tái)與相機(jī)之間具有特定彈性和阻尼性能的裝置，它可阻隔并減弱發(fā)射過(guò)程中振動(dòng)能量的傳遞。相機(jī)隔振器的隔振性能常用振動(dòng)傳遞率T來(lái)描述，單個(gè)隔振器的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為圖1所示模型[7]。圖1中，k為隔振器的剛度；c為隔振器的阻尼系數(shù)；m為被隔振物體的質(zhì)量；q(t)為被隔振物體的響應(yīng)；Q(t)為系統(tǒng)受到的激勵(lì)。

圖1 隔振器力學(xué)模型 圖2 隔振系統(tǒng)力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of isolator Fig.2 Mechanical model of vibration isolation system

一系列隔振器按一定布置方式排列就組成了隔振系統(tǒng)，其力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為圖2所示模型，其隔振性能同樣可用振動(dòng)傳遞率T來(lái)描述。簡(jiǎn)化成單自由度隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率

(1)

ξ=c/cnλ=ω/ωn

式中，cn為臨界阻尼系數(shù);ωn為隔振系統(tǒng)的固有頻率；ω為激勵(lì)頻率；ξ為阻尼比，隔振系統(tǒng)需滿足T≤4，由式(1)可得阻尼比ξ≥0.13。

相機(jī)隔振系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量m為1300 kg，縱向固有頻率要大于35 Hz，根據(jù)

(2)

可得,縱向剛度Kz要大于62.87kN/mm，整個(gè)系統(tǒng)包括24個(gè)隔振器，故每個(gè)隔振器的縱向剛度要大于2.62kN/mm。

相機(jī)隔振器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由金屬支架和阻尼材料組成，金屬支架輪廓為跑道形，中間有交錯(cuò)排列的剪切齒，外部由阻尼材料包裹，金屬支架依據(jù)等強(qiáng)度理論采用變厚度設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以大幅提高金屬支架受力均勻性，顯著降低應(yīng)力水平。金屬支架受力時(shí)，中間的剪切齒會(huì)充分剪切阻尼材料，形成大阻尼特性，產(chǎn)生較大的阻尼損耗。

圖3 相機(jī)隔振器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of camera isolator

金屬材料選用牌號(hào)為T(mén)C4的鈦合金，它具有良好的抗蝕性、比強(qiáng)度，優(yōu)良的疲勞抗力、斷裂韌性和塑性；阻尼材料以丁基橡膠為基體，并添加了適量的填充劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等配制而成，具有較好的綜合性能。采用動(dòng)力熱機(jī)械分析(DMA)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的阻尼材料的平均損耗因子為0.677，由于黏彈性材料在低頻共振時(shí)存在損耗因子是阻尼比2倍的線性關(guān)系，因而隔振器滿足阻尼比ξ≥0.13。

相機(jī)隔振系統(tǒng)由24個(gè)沿圓周均勻分布的隔振器以及中部法蘭、上筒、下筒、配重等組成，整體模型如圖4所示。

圖4 相機(jī)隔振系統(tǒng)模型圖Fig.4 Model diagram of camera vibration isolation system

2 隔振器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

約束阻尼層結(jié)構(gòu)受力時(shí)約束層和阻尼層之間發(fā)生剪切變形，從而產(chǎn)生阻尼耗能，增大約束層和阻尼層的接觸面積以及改變阻尼材料的形狀,這可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。

本文將豎直剪切齒末端的凸臺(tái)擴(kuò)展為水平剪切齒，并分析水平傾斜角度對(duì)系統(tǒng)固有頻率和模態(tài)損耗因子的影響。在阻尼層數(shù)、阻尼層厚度以及約束層厚度相同的條件下，計(jì)算無(wú)水平剪切齒以及水平傾斜角度α分別為0°、15°、30°、45°時(shí)的固有頻率和模態(tài)損耗因子，圖5所示依次為無(wú)水平剪切齒、水平傾斜角度為0°、30°時(shí)的有限元模型，固有頻率和模態(tài)損耗因子計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

(a)無(wú)水平剪切齒 (b)α=0°

(c)α=30°圖5 不同水平剪切齒的隔振器有限元模型Fig.5 Finite element model of isolator with different horizontal shear teeth

(a)對(duì)固有頻率的影響 (b)對(duì)模態(tài)損耗因子的影響圖6 水平剪切齒對(duì)固有頻率和模態(tài)損耗因子的影響Fig.6 Influence of horizontal shear teeth on natural frequencies and modal loss factors

由圖6可知，增加水平剪切齒后隔振器第一階、第二階模態(tài)頻率和損耗因子有一定的提高，第三階模態(tài)頻率和損耗因子增大顯著，但傾斜角度大小的影響不太明顯。

隔振器的前兩階振型分別是上下支架在X軸和Y軸方向上的擺動(dòng)，是對(duì)阻尼材料的橫向拉扯；第三階振型是上下支架在Z軸方向上的拉壓，是對(duì)阻尼材料的縱向拉扯。由于第三階模態(tài)阻尼比大于第一階、第二階模態(tài)阻尼比，因此，隔振器的阻尼效果主要體現(xiàn)在縱向，即縱向是其主隔振方向。

選擇具有水平剪切齒的隔振器，繼續(xù)探究阻尼層厚度D、水平約束層厚度d1、豎直約束層厚度d2、阻尼層數(shù)n共4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)隔振性能的影響，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖7。

圖7 相機(jī)隔振器截面模型Fig.7 Section model of camera isolator

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是解決多因素、多水平和具有隨機(jī)誤差的試驗(yàn)問(wèn)題的一種優(yōu)化方法，在確定了因素和水平后，選擇合適的正交表來(lái)安排試驗(yàn)，最后對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行直觀分析和方差分析[8-9]。本文的試驗(yàn)中含有4個(gè)因素，每個(gè)因素含有三種水平，見(jiàn)表1，因此選擇四因素、三水平的L9(34)正交試驗(yàn)表，試驗(yàn)組合見(jiàn)表2。

表1 隔振器正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平

按表2對(duì)隔振器進(jìn)行有限元分析，計(jì)算固有頻率和模態(tài)損耗因子。相機(jī)隔振系統(tǒng)中能量主要沿相機(jī)的軸向(即隔振器的縱向)傳遞，因此主要分析隔振器的縱向一階固有頻率和模態(tài)損耗因子，橫向隔振性能最后在相機(jī)隔振系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證?？v向一階固有頻率和模態(tài)損耗因子計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 隔振器正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的L9(34)正交表

表3 隔振器正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果

對(duì)固有頻率和模態(tài)損耗因子計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直觀分析，計(jì)算極差大小，極差大的為主要因素，極差小的為次要因素。固有頻率的直觀分析計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。表4中,Tij表示正交表中第j列中水平i對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和，i=1,2,3；Mij=Tij/3；極差Rj=max(Mij)-min(Mij)。進(jìn)一步繪制因素-固有頻率圖來(lái)刻畫(huà)各個(gè)因素對(duì)固有頻率影響的趨勢(shì)和大小，如圖8所示。

表4 固有頻率直觀分析數(shù)據(jù)

圖8 固有頻率隨各因素水平的變化Fig.8 Changes of natural frequencies with each factor and level

通過(guò)比較各因素引起的極差的大小可知,各因素對(duì)固有頻率貢獻(xiàn)大小的次序是阻尼層數(shù)、水平約束層厚度、阻尼層厚度、豎直約束層厚度。由圖8可知，固有頻率隨阻尼層厚度和豎直約束層厚度的增大而減小，隨水平約束層厚度和阻尼層數(shù)的增加而增大。

模態(tài)損耗因子的直觀分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，繪制的因素-模態(tài)損耗因子圖見(jiàn)圖9。

表5 模態(tài)損耗因子直觀分析數(shù)據(jù)

圖9 模態(tài)損耗因子隨各因素水平的變化Fig.9 Changes of modal loss factors with each factor and level

比較各因素引起的極差的大小可知,各因素對(duì)模態(tài)損耗因子貢獻(xiàn)大小的次序是豎直約束層厚度、阻尼層厚度、阻尼層數(shù)、水平約束層厚度。由圖9可知模態(tài)損耗因子隨水平約束層厚度的變化不是單調(diào)變化的，但幅度很小，隨阻尼層數(shù)的增加有減小趨勢(shì)，幅度也很??；隨阻尼層厚度的增大而減小，隨豎直約束層厚度的增大而有較明顯的增大。

綜合上述分析及實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的隔振器參數(shù)如表6所示。

定形金屬支架形式如圖10所示，隔振器的有限元模型如圖11所示。

表6 優(yōu)化前后隔振器參數(shù)對(duì)比

圖10 定形隔振器的金屬骨架Fig.10 Metal skeleton of the shaping isolator

圖11 定形隔振器有限元模型Fig.11 Finite element model of the shaping isolator

對(duì)優(yōu)化前后的隔振器分別進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到的前三階固有頻率的對(duì)比結(jié)果如表7所示，可知，優(yōu)化后隔振器的前三階固有頻率都有顯著的提高。

表7 優(yōu)化前后隔振器前三階固有頻率

優(yōu)化前隔振器質(zhì)量為0.288 kg，根據(jù)式(2)可算得縱向剛度為1.07 kN/mm；優(yōu)化后質(zhì)量為0.3374 kg，同樣可算得縱向剛度為4.50 kN/mm，可知優(yōu)化后隔振器的縱向剛度大于2.62 kN/mm，滿足理論分析的剛度要求。由于隔振器的橫向剛度與隔振系統(tǒng)的橫向剛度并不滿足簡(jiǎn)單的線性疊加關(guān)系，因而理論分析僅針對(duì)縱向剛度，后續(xù)將直接以隔振系統(tǒng)的橫向和縱向基頻進(jìn)行驗(yàn)證。

3 隔振系統(tǒng)的隔振性能分析

隔振系統(tǒng)的力學(xué)強(qiáng)度要求相機(jī)與隔振系統(tǒng)組成的組合體在軌橫向一階基頻大于18 Hz，縱向一階基頻大于35 Hz，并且能承受發(fā)射階段的考驗(yàn)，不會(huì)出現(xiàn)材料損壞，鏡筒最大位移小于40 mm；隔振性能要求共振放大率小于4，100～150 Hz的振動(dòng)傳遞率小于0.7，150 Hz以上的振動(dòng)傳遞率小于0.3。

建立相機(jī)隔振系統(tǒng)的有限元模型，其中振動(dòng)臺(tái)用大質(zhì)量點(diǎn)模擬。對(duì)隔振器結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后組成的隔振系統(tǒng)分別進(jìn)行模態(tài)分析，優(yōu)化前隔振系統(tǒng)的橫向(X、Y)一階基頻為12.95 Hz，縱向(Z)一階基頻為14.43 Hz，達(dá)不到基頻的要求。優(yōu)化后橫向(X、Y)一階基頻提高到22.16 Hz，縱向(Z)一階基頻提高到38.03 Hz，均能滿足要求。

在系統(tǒng)正弦掃頻環(huán)境試驗(yàn)中，隔振器受到的最大加速度載荷不應(yīng)超過(guò)20g，對(duì)隔振器優(yōu)化后的隔振系統(tǒng)進(jìn)行三個(gè)方向的20g過(guò)載分析，計(jì)算出的最大位移為3.46 mm，遠(yuǎn)小于40 mm；隔振器金屬骨架處最大應(yīng)力為240.9 MPa，也遠(yuǎn)小于鈦合金的抗拉強(qiáng)度890 MPa，阻尼的材料的應(yīng)力僅為3.22 MPa，也在強(qiáng)度范圍內(nèi)?？芍?，優(yōu)化后的相機(jī)隔振系統(tǒng)可以滿足力學(xué)強(qiáng)度的要求。

在相機(jī)隔振系統(tǒng)有限元模型中工裝底座的大質(zhì)量點(diǎn)處沿X、Y、Z三個(gè)方向分別輸入幅值為1，頻率范圍為0～200 Hz的簡(jiǎn)諧加速度載荷，計(jì)算相機(jī)鏡筒上的響應(yīng)，求得的頻率-加速度曲線如圖12和圖13所示。

圖12 鏡筒處X、Y向的頻率-加速度曲線Fig.12 Frequency-acceleration curve of X and Y directions at the lens tube

圖13 鏡筒處Z向的頻率-加速度曲線Fig.13 Frequency-acceleration curve of Z direction at the lens tube

圖12和圖13所示的頻率-加速度曲線實(shí)際上就是相機(jī)隔振系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線，其中X、Y向的傳遞函數(shù)相同。X、Y向加速度響應(yīng)最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率在20 Hz附近，與相機(jī)隔振系統(tǒng)模態(tài)分析得到的X、Y向的一階基頻基本匹配，加速度響應(yīng)的幅值即共振傳遞率為3.43，100～150 Hz的最大振動(dòng)傳遞率為0.061，150 Hz以上的最大振動(dòng)傳遞率為0.01；Z向加速度響應(yīng)最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率在40 Hz附近，同樣與相機(jī)隔振系統(tǒng)模態(tài)分析得到的Z向的一階基頻相匹配，共振傳遞率為1.93，100～150 Hz的最大振動(dòng)傳遞率為0.20，150 Hz以上的最大振動(dòng)傳遞率為0.083，均能滿足隔振性能的要求。

4 結(jié)論

本文從隔振理論出發(fā)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，探究了實(shí)際隔振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其振動(dòng)特性的影響，并據(jù)此對(duì)隔振器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)建立相機(jī)隔振系統(tǒng)的有限元模型來(lái)進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度和隔振性能的分析，證明了隔振系統(tǒng)一階基頻可以滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，并且隔振系統(tǒng)在發(fā)射階段的20g靜力過(guò)載條件下沒(méi)有出現(xiàn)材料損壞和鏡筒位移過(guò)大的現(xiàn)象，表明隔振系統(tǒng)能滿足發(fā)射階段的力學(xué)強(qiáng)度要求；隔振系統(tǒng)的共振放大率及各個(gè)頻率段的振動(dòng)傳遞率也均滿足要求，表明隔振系統(tǒng)也能滿足隔振性能的要求。由此，本文最終定形的相機(jī)隔振器可以用于衛(wèi)星相機(jī)發(fā)射階段的振動(dòng)隔離，并能保證較好的隔振效果。

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(編輯 袁興玲)

Structure Optimization and Isolating Performance Analysis of Spaceborne Camera Isolator

LIU Shiping1XIONG Qi1LI Shiqi1WANG Yue2

1.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074 2.Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing, 100076

Based on the principles of large damping loss of viscoelastic material under the action of shear forces, a spaceborne camera isolator was preliminarily designed. By using the orthogonal experimental design method and finite element analysis, the influences of the structural parameters of the isolator on the natural frequencies and modal loss factors were explored in detail, the structure of the isolator was optimized accordingly. The finite element model of the camera vibration isolation system was established, the mechanics strength was checked and the vibration isolation performances were analyzed. The results show that the camera vibration isolation system may meet the mechanics environmental tests of the satellite launching stage by using the isolators, and have better vibration isolation effectiveness.

isolator; orthogonal experimental design; structure optimization; vibration isolation system

2016-08-30

TH113.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.13.002

劉世平，男，1971年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)械及仿真、機(jī)器人遙操作。發(fā)表論文10余篇。熊 琦，男，1990年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。E-mail:xiongqi2016@163.com。李世其，男，1965年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授。王 躍，男，1985年生。北京空間機(jī)電研究所高級(jí)工程師。