機載光電設備隔振裝置設計開發與性能分析

董海波，武文華

(大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

0 引言

空間飛行器、運載火箭在主動飛行階段會產生各種激勵，這種激勵會對其裝備的光電設備產生影響.由于火箭發動機的工作和跨音速階段的附面層干擾等情況造成了嚴重的振動，此外，飛行器自帶的各類發動機工作時也會產生動力干擾.所有這些動力干擾環境都能引起火箭和飛行器結構系統儀器設備的動態響應，并影響一些儀器設備的正常工作，甚至造成飛行器的運行失控.為了抑制飛行器設備受到振動影響所導致的零件疲勞、損傷和工作失效等問題，為了保證儀器設備的正常使用，通常在所需要保護的機構中安裝抗沖擊隔振裝置，通過裝置中隔振、吸能元件的聯合作用，從而減少外載荷對機載結構的振動作用，目前對于飛行器上所使用的高性能隔振設備的研究非常重要.

機載光電設備是安裝在航空飛行器上用于武器系統穩瞄、光電偵察以及搜索營救等用途的裝置［1］.在現代戰爭中，如何從敵我雙方獲取信息并進行相關的信息識別和處理，從而判斷出敵我雙方的位置，進而實施干擾或防護的功能是戰爭勝負的關鍵.機載光電對抗穩定平臺系統正是為滿足該需求而設計的光機電一體化系統.機載光電對抗穩定平臺能夠實現對運動目標的實時捕獲、跟蹤和干擾，而且它是集光學技術、激光技術、精密機械技術、電子學技術、光電傳感技術、自動控制技術和計算機技術等多學科技術為一體的多系統集成設備，體現了現階段新軍事變革對武器裝備的要求［2］.當今光電設備已經在軍事上有著廣泛而重要的用途，對機載光電設備的研究是軍事工程領域的一個重要課題.由于機載光電設備以飛行器為載體，飛行器振動會通過機載光電設備的座架固定點傳到光電設備，影響光學器件的成像質量，所以必須解決振動問題.現代軍事工業技術的飛速發展促進了阻尼減振技術的發展和應用.航空飛行器在飛行的過程中需要隔振裝置對光電設備進行隔振，使其能夠保證安全正常的使用.另外從設計要求和使用環境入手，設計機載光電設備的隔振支座，滿足設備的使用需求，同時也要考慮降低設計成本，達到事半功倍的效果.

1 振動控制分類

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

圖1 減振系統分類

2 振動控制理論

圖2所示為一單自由度調諧質量阻尼器(TMD)簡化計算模型.

圖2 TMD系統簡化計算模型

它的運動微分方程表示為

令TMD系統相對于結構的位移為x2，即

經過計算得

一般采用傳遞率T和減振效率ε=(1－T)或振動衰減量ΔLn=20lg(1/T)來評價減振效果.對于力激勵和運動激勵來說，兩種激勵形式的傳遞率是相等的，且都是激勵頻率的函數［7］，即

因此，力激勵時保護基座采用的技術原則和運動激勵時保護動力系統采用的技術原則是相同的.

3 橡膠隔振支座的力學性能

橡膠支座的力學性能如形狀系數、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

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

S1是與豎向剛度和轉動剛度有關的參數.S1越大，相對來說橡膠片的厚度越薄，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的參數.根據目前研究成果和應用經驗，一般要求S1≥15，S2=3～6.在此條件下，橡膠支座的極限壓應力一般可達95～120 MPa，其受壓承載力的安全系數可達9～12，具有足夠大的安全儲備.

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

根據飛機上空間和所采用的光電設備的質量要求，結合支座的構造圖，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

整個隔振支座由夾層橡膠、夾層鋼板和上下連接鋼板構成.其中上下連接鋼板分別連接底部結構和上部結構，并傳遞支撐力.支座內部布置不同層數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構物.夾層橡膠起到吸收能量、集中變形以及彈性復位功能.其隔振效果主要由隔振橡膠的厚度所控制.

圖4 模型網格圖

運用ABAQUS軟件中的C3D8H單元模擬橡膠，C3D8R單元模擬鋼板.隔振支座的網格模型如圖4所示.光電設備質量 M=180 kg，用質量點模擬代替，橡膠夾層的直徑為500mm.通過設置外加激勵的形式，模擬光電設備的動力學響應，為了更好的量化設計指標和隔振效果，選取簡諧激勵 f(t)=Psinθ，通過改變P和θ的值來進行多工況下的數值分析.

利用有限元分析，在外加激勵作用下可以得到光電設備質量點的振動響應.對阻尼比系數ξ=0.08的橡膠隔振支座與初始外加激勵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 振動響應對比

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

圖6 支座的應力分布圖

5 多種型號隔振支座模擬

改變支座中夾層橡膠和鋼板的層數、厚度，構造不同型號的隔振支座.分別對各個型號隔振支座進行相同外加激勵條件下的模擬分析，對各個支座的振動響應的進行對比，總體來看，各個支座的減振效果都很明顯，如附表所示.

附表 各種型號(D/tr/n)支座第一和第二形狀因數值

附表 各種型號(D/tr/n)支座第一和第二形狀因數值(續)

為了進一步驗證阻尼比對減振結果所起到的作用，針對500/7/14支座類型，分別使用三種符合橡膠隔振器規范的阻尼比(0.08、0.09、0.10)進行模擬計算.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 三種支座振動響應對比

圖 8 阻尼比分別為 ζ =0.08、0.09、0.1 結果對比

6 結論

本文根據飛機中空間布置和機載光電設備質量進行了多種疊層橡膠隔振支座設計，并利用有限元軟件ABAQUS對所設計的隔振支座進行計算機數值模擬，通過對模型施加初始幅值為0.01 m的簡諧激勵，分析光電設備在隔振支座作用下的振動響應.根據模擬結果來看，疊層橡膠隔振支座能夠很好的對機載光電設備進行減振，在飛機的飛行過程中，可以對設備的穩定性起到很好的效果，使光電設備能夠在相對比較穩定的環境下工作，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%.

疊層橡膠支座優化設計.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于橡膠支座的形狀系數，同時形狀因數還會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、豎向剛度并能根據需要增強其應用范圍和穩定性.

對于橡膠材料的性能的選擇.橡膠材料的彈性模量相對于金屬材料較小，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.但是相對于天然橡膠來說，特種橡膠的生產流程相對很長，還會受到技術等因數的限制，高阻尼抗老化橡膠材料的開發研究也需要更進一步.

［1］舒陶，任宏光，陳祖金.機載光電設備減振機構的振動分析及實現［J］.航空兵器，2007(4):45-48.

［2］石利霞.機載光電對抗穩定平臺目標跟蹤干擾技術研究［D］.吉林:長春理工大學，2009.

［3］劉旭輝.磁流變液阻尼減震器及其振動控制的研究［D］.天津:天津理工大學，2005.

［4］張景繪，李新民.主、被動振動控制一體化理論及技術(Ⅰ)——導論［J］.強度與環境，2004，31(1):50-63.

［5］李春祥，劉艷霞，王肇民.質量阻尼器的發展［J］.力學進展，2003，33(2):194-206.

［6］林均岐，王云劍.調諧質量阻尼器的優化分析［J］.地震工程與工程振動，1996，1(1):116-121.

［7］戴德沛.阻尼技術的工程應用［M］.北京:清華大學出版社，1991.

［8］戶原春彥.防振橡膠及其應用［M］.北京:中國鐵道出版社，1982.