姜偉偉，徐治洲，任 戈

(1.中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，成都610209；2.中國科學(xué)院 光束控制重點實驗室，成都610209)

機載光電成像設(shè)備減振系統(tǒng)仿真及試驗

姜偉偉1，2，徐治洲1，2，任 戈1，2

(1.中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，成都610209；2.中國科學(xué)院 光束控制重點實驗室，成都610209)

一般的載機都存在寬頻帶、大幅值的隨機振動，為保證設(shè)備安全及設(shè)備的成像質(zhì)量，需要對設(shè)備加裝減振系統(tǒng)。在對減振系統(tǒng)進行理論分析的基礎(chǔ)上，針對光電成像設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合載機的掛裝空間位置要求，設(shè)計八點支撐的減振系統(tǒng)，對該減振系統(tǒng)進行仿真分析，并結(jié)合具體的設(shè)備進行試驗測試。結(jié)果表明仿真分析和試驗測試的諧振點頻率值、最大振動傳遞率差異在2.5%～4.5%之內(nèi)，且二者設(shè)備響應(yīng)曲線走勢基本一致，證明該減振系統(tǒng)的仿真分析方法是合理可行的。

振動與波；光電設(shè)備；機載；減振系統(tǒng)

機載光電成像設(shè)備是安裝在飛機上拍攝地表景物來獲取地表或大氣層信息的裝置，該類設(shè)備可用于國土資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)普查、災(zāi)情查看等相關(guān)領(lǐng)域。因此，該類設(shè)備在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中都起著非常重要的作用。

由于飛機發(fā)動機、機體與外界大氣作用等因素的影響，一般的飛機載體都存在寬頻帶、大幅值的隨機振動，如此振動環(huán)境會對光電設(shè)備的成像造成嚴(yán)重的影響，嚴(yán)重時甚至振壞設(shè)備。因此，為保證設(shè)備安全及設(shè)備的成像質(zhì)量，需要對設(shè)備加裝減振系統(tǒng)[1，2]。

被動減振系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高、經(jīng)濟性好，且目前大多數(shù)機床、電子設(shè)備、車輛均采用被動減振形式，故采用被動減振形式。

1 被動減振原理

建立被動減振系統(tǒng)的模型如圖1所示[3，4]。

如圖1所示，載體振動方程為xH=Hsin(ωt)，減振系統(tǒng)剛度為k，減振系統(tǒng)的阻尼系數(shù)為c，工作設(shè)備質(zhì)量為m，則對工作設(shè)備列動力學(xué)微分方程如下

根據(jù)已知條件公式（1）可轉(zhuǎn)化為

求解微分方程（2），得

圖1 減振系統(tǒng)模型

隨著時間t的增大，x1(t)趨于0，所以該項不予考慮。

x2(t)表示該微分方程（2）的穩(wěn)態(tài)解，B表示該減振系統(tǒng)振幅的振動傳遞放大率，如下

根據(jù)式（4）得到B的響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 減振后工作設(shè)備穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅頻特性曲線

如圖2所示的減振幅頻特性曲線可知：

（1）隨著頻率比z的升高，設(shè)備振幅振動傳遞放大率B逐漸增大，當(dāng)z=1時，設(shè)備振動傳遞率B達到最大，之后隨著z的上升，B值開始減小，當(dāng)時，B=1，之后隨著z的升高，B值一直減?。?/p>

基于以上減振理論分析，針對具體的需減振設(shè)備，結(jié)合設(shè)備工作的振動環(huán)境設(shè)計恰當(dāng)?shù)闹C振頻率值，據(jù)此選擇剛度、阻尼合適的減振器。

2 仿真分析

2.1 光電設(shè)備減振器結(jié)構(gòu)布置

針對光電成像設(shè)備結(jié)構(gòu)外形特點，結(jié)合載機的掛裝位置要求，設(shè)計八點支撐的減振系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 減振器布置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中序號1—8表示減振器（每個減振器以三根正交的彈簧表示），圖中正方形表示光電成像設(shè)備，減振器一端連接光電設(shè)備一端固定連接在載機上。

2.2 減振系統(tǒng)虛擬樣機建模

依據(jù)實物對設(shè)備建立三維減振模型如圖4所示[5]。

圖4 光電設(shè)備減振器布置三維示意圖

如圖4所示，八個減振器布置在設(shè)備的八個頂點方向上，減振器一端與光電設(shè)備的側(cè)板連接，另一端固定在載機上（機載圖中未畫出）。減振器選用三向等剛度的JW型碗式橡膠—金屬減振器，該減震器結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小，安裝尺寸低，且該減振器具有防沖凸緣，可實現(xiàn)任意方向的振動隔離，能承受較大的沖擊加速度，載機空間緊湊且沖擊較大，因此廣泛應(yīng)用于航空無線電儀器、儀表和雷達等的防振、沖擊系統(tǒng)中。

根據(jù)設(shè)備實物外形尺寸及質(zhì)量信息，結(jié)合減振器參數(shù)在載機上的安裝位置信息在結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真軟件MSC ADAMS中建立減振系統(tǒng)三維虛擬樣機如圖5所示。

圖5所示光電設(shè)備質(zhì)量18.6 kg，減振器一邊連接光電設(shè)備，一邊連接加載框架，使用三向等剛度的Bushing（襯套）單元模擬，八個減振器參數(shù)相同，依據(jù)減振器生產(chǎn)廠家提供的減振器的參數(shù)，設(shè)置剛度為k=55 000 N/m，設(shè)置阻尼比為c0=0.12。加載框架為仿真分析時加載加速度的結(jié)構(gòu)（為了加載加速度方便而虛擬的結(jié)構(gòu)，實際的設(shè)備中無此結(jié)構(gòu)），該結(jié)構(gòu)將加速度通過減振器傳遞到光電設(shè)備。

圖5 光電設(shè)備減振系統(tǒng)虛擬樣機

2.3 仿真分析

2.3.1 振動掃頻加載曲線

針對載機類型和設(shè)備在載機的掛裝位置，依據(jù)GJB150-1986文件，對該機載光電設(shè)備加載振動譜曲線如圖6所示。

圖6所示橫軸為頻率（單位：Hz），縱軸為加速度值（單位：g）。試驗掃頻譜段為5～500 Hz，各個頻率段分別為：5～14 Hz為定振幅掃頻，幅值為0.001 27 m；14～23 Hz為定加速度1 g掃頻；23～52 Hz為定振幅掃頻，幅值為0.000 455 m；52～500 Hz為定加速度5 g掃頻。

對圖5所示的加載框架x、y、z三方向均加載圖6所示的加速度—頻率曲線，下節(jié)給出仿真結(jié)果。

2.3.2 x、y、z方向仿真結(jié)果

分別對加載框架的x、y、z三方向加載如圖6所示的加速度—頻率曲線，得到光電設(shè)備的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7中實線為加載框架的加載曲線（與圖6相同），虛線為光電設(shè)備的響應(yīng)曲線，設(shè)G=10 m/s2

（1）圖7中，隨著加載頻率的升高設(shè)備響應(yīng)加速度逐漸增大，當(dāng)達到減振系統(tǒng)諧振頻率時，設(shè)備響應(yīng)值達到最大，此后隨著加載頻率的升高，設(shè)備響應(yīng)逐漸減?。ㄅc第2節(jié)中的理論分析一致）；

（2）圖7（a）中減振系統(tǒng)x方向的諧振頻率為26.9 Hz，則x方向最大的振動傳遞放大率為（諧振點設(shè)備響應(yīng)值和加載值之比）；

（3）圖7（b）中減振系統(tǒng)y方向的諧振頻率為25.1 Hz，則y方向最大的振動傳遞放大率為

（4）圖7（c）中減振系統(tǒng)z方向的諧振頻率為28.6 Hz，則z方向最大的振動傳遞放大率為

圖6 設(shè)備振動掃頻試驗加載曲線

圖7 光電設(shè)備x、y、z方向加速度響應(yīng)曲線

3 試驗測試

將設(shè)備通過試驗工裝件固定連接在振動臺上，設(shè)備坐標(biāo)系與圖5中所示坐標(biāo)系一致，分別對x、y、z三方向加載圖6所示的振動譜線，在設(shè)備上固接各自方向的加速度計采集設(shè)備的加速度信息[6]。

試驗完成后，得到的測試結(jié)果如圖8所示。圖8 a中五條平行線分別為加載曲線（與圖6相同）、報警線、停車線，另外一條曲線為設(shè)備的響應(yīng)曲線，圖8b、c中曲線示意與圖8 a中相同。由試驗測試結(jié)果可知：

（1）圖8 a、b、c中，隨著加載頻率的升高設(shè)備響應(yīng)加速度逐漸增大，當(dāng)達到減振系統(tǒng)諧振頻率時，設(shè)備響應(yīng)值達到最大，此后隨著加載頻率的升高，設(shè)備響應(yīng)逐漸減小；

圖8 光電設(shè)備x、y、z方向加速度響應(yīng)曲線

（2）圖8a中減振系統(tǒng)x方向的諧振頻率為27 Hz，則x方向最大的振動傳遞放大率為

βmaxx=（諧振點響應(yīng)值和加載值之比）；

（3）圖8b中減振系統(tǒng)y方向的諧振頻率為24.5 Hz，則y方向最大的振動傳遞放大率為

（4）圖8c中減振系統(tǒng)z方向的諧振頻率為28 Hz，則z方向最大的振動傳遞放大率為

（5）圖8中的設(shè)備響應(yīng)曲線在360～380 Hz之間均出現(xiàn)了響應(yīng)尖峰，此尖峰為試驗工裝件在此頻率處發(fā)生諧振所致，與設(shè)備本身無關(guān)。

4 仿真分析和試驗測試結(jié)果對比分析

為驗證節(jié)3仿真分析的準(zhǔn)確性，將仿真分析和試驗測試得到的諧振頻率點、振動最大傳遞率列于表1并計算其差值，如下表1所示。

表1 設(shè)備響應(yīng)仿真結(jié)果和試驗測試結(jié)果對比

表1中：左邊第一列數(shù)據(jù)角標(biāo)“仿”表示仿真數(shù)據(jù)，“試”表示試驗測試數(shù)據(jù)；計算差值時以試驗測試值為準(zhǔn)。

由表1中仿真數(shù)據(jù)和試驗測試數(shù)據(jù)的對比可知：

（1）諧振頻率點相差在2.5%之內(nèi)；

（2）最大振動傳遞率相差在4.5%之內(nèi)。

除此之外，分別對比x、y、z三方向仿真分析設(shè)備響應(yīng)曲線和試驗測試設(shè)備響應(yīng)曲線（圖7和圖8），二者曲線走勢基本一致。

由以上分析和對比可知：仿真分析結(jié)果與試驗測試結(jié)果基本一致，因此仿真分析方法是可行的、分析結(jié)果是可信的。

5 結(jié)語

減振系統(tǒng)對機載光電設(shè)備的成像質(zhì)量及設(shè)備安全至關(guān)重要，減振系統(tǒng)的設(shè)計理論和分析方法直接關(guān)系到設(shè)備研制周期、成本及減振效果。本文在分析被動減振原理的基礎(chǔ)上，對機載光電成像設(shè)備的減振系統(tǒng)進行了仿真分析，之后對具體設(shè)備進行振動掃頻試驗測試。試驗結(jié)果表明仿真分析結(jié)果與試驗測試結(jié)果基本一致，所以該仿真分析方法是可行的、分析結(jié)果是可信的。

因此，對減振系統(tǒng)進行仿真分析替代部分振動掃頻試驗測試，即可減少研制成本，又可縮短研制周期，該減振系統(tǒng)的仿真分析方法可廣泛應(yīng)用于其它減振系統(tǒng)設(shè)計中。

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Simulation and Experiment Validation of the VibrationAbsorbing System of anAirborne Photoelectric Imaging Equipment

JIANG Wei-wei1，2,XU Zhi-zhou1，2,RENGe1，2

(1.Institute of Optics and Electronics of ChineseAcademy of Sciences,Chengdu 610209,China; 2.Key Laboratory of Beam Control,ChineseAcademy of Sciences,Chengdu 610209,China)

Generally,there exist random vibrations with large magnitudes and wide frequency band in airborne photoelectric imaging equipments.In order to ensure the quality of imaging and the safety of the equipments,vibration isolator systems are necessary.In this paper,a vibration absorbing system is analyzed theoretically.Considering the structural characteristics of the equipment and the demand of the spatial position of the suspension system,an eight-point supported vibration absorption system is designed and simulated.Results of simulation and experimental verification are in good agreement.

vibration and wave;photoelectric-equipment;airborne;vibration absorbing system

1006-1355(2014)03-0186-04

TP18

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.03.039

2013-01-14

姜偉偉（1984-），男，山東人，博士，助理研究員，主要從事光電儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

徐治洲（1977-），男，四川人，碩士，助理研究員，主要從事機載光電設(shè)備研制。

通訊作者：任 戈（1964-），男，四川人，研究員，主要從事光電設(shè)備總體技術(shù)研究。

E-mail:jdw094698@163.com