鄭玲,房占鵬
(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030)
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)的工作情況直接影響導(dǎo)航的精度和可靠性。由于IMU的工作環(huán)境具有振動(dòng)加速度大、激勵(lì)頻率范圍廣和受激勵(lì)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),為了保證IMU的工作精度和可靠性,通常使用隔振器對(duì)IMU進(jìn)行隔振[1—3]。因而,為了隔離來(lái)自載體強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊,使測(cè)量組合具有良好的工作環(huán)境,確保IMU可靠、穩(wěn)定的工作,必須設(shè)計(jì)高性能的減振系統(tǒng)[4—6]。
隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的要求越來(lái)越高,研究人員也越來(lái)越重視IMU減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。姚建軍等[7—8]分別建立了5種不同隔振模式的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程,通過(guò)對(duì)IMU在6個(gè)自由度上振動(dòng)耦合特性和傳遞特性的對(duì)比分析,提出了不同隔振系統(tǒng)的布置方式。劉世品[9]采用有限元的方法對(duì)橡膠隔振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改,分析了此隔振系統(tǒng)的頻率響應(yīng),搭建了試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了建立的有限元模型的正確性和分析方法的有效性。Steinberg等[10—11]為了探討電子設(shè)備的減振和隔振方法,采用理論分析對(duì)電子設(shè)備的振動(dòng)和沖擊等問(wèn)題進(jìn)行了研究。
文中對(duì)IMU的減振系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性研究。建立了測(cè)量組合的三維模型,為了提高IMU的解耦率,調(diào)整IMU和支架的質(zhì)心,使IMU的質(zhì)心與4個(gè)隔振器的剛度中心基本重合。采用Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型對(duì)橡膠隔振器的橡膠材料進(jìn)行表征,并確定了橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型的參數(shù),進(jìn)而建立了IMU減振系統(tǒng)有限元模型。分析了減振系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和沖擊響應(yīng),并對(duì)IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)。
振動(dòng)解耦可以使IMU系統(tǒng)各個(gè)自由度上的振動(dòng)相對(duì)獨(dú)立或分離,這樣可在不影響其他自由度的情況下對(duì)隔振效果不佳的自由度獨(dú)立采取措施,使IMU獲得良好的振動(dòng)姿態(tài),有利于提高隔振性能。
IMU減振系統(tǒng)隔振器布置方式如圖1所示,理論上IMU減振系統(tǒng)在各自由度方向上的振動(dòng)是互不干涉、互不耦合的,因而,可按照單自由度振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),很難做到IMU質(zhì)心與隔振器剛度中心的重合,振動(dòng)系統(tǒng)在各自由度方向上具有振動(dòng)耦合,因此,需對(duì)IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行解耦分析。
圖1 IMU減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The vibration system model of IMU
建立IMU減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,由于IMU是通過(guò)4個(gè)隔振器安裝到運(yùn)載體上的,因而,可將IMU減振系統(tǒng)看作一個(gè)懸置系統(tǒng),如圖2所示。G0-XYZ為定坐標(biāo)系,支架和測(cè)量組合靜平衡時(shí)的質(zhì)心在原點(diǎn)G0處。相對(duì)于定坐標(biāo)系G0-XYZ的是動(dòng)坐標(biāo)系G-xyz。系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)為IMU減振系統(tǒng)沿X,Y,Z三個(gè)方向的平動(dòng)坐標(biāo)x,y,z和圍繞x,y,z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)θx,θy,θz,即{q}={x,y,z,θx,θy,θz}T。
圖2 振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 The model of vibration system
無(wú)阻尼情況下,系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為:
式中:[M],[K]分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣:
式中:Ixx,Iyy,Izz和Ixy,Iyz,Izx分別為振動(dòng)系統(tǒng)繞坐標(biāo)軸X,Y,Z的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積;kxx,kyy,kzz和kαα,kββ,kγγ分別為振動(dòng)系統(tǒng)繞坐標(biāo)軸X,Y,Z的總往復(fù)剛度和總回轉(zhuǎn)剛度;kmn(m≠n)為系統(tǒng)的耦合剛度。
根據(jù)振動(dòng)理論,該振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程的解可表示為:
將式(4)代入振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可得:
通過(guò)求解方程式(5)可得到振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率ωi和主振型{Xi}(i=1,2,3,4,5,6)。
在坐標(biāo)系G0-XYZ中,可以得到振動(dòng)系統(tǒng)在各階次主振動(dòng)時(shí)的能量分布矩陣。當(dāng)系統(tǒng)在第k階模態(tài)振動(dòng)時(shí),此矩陣為:
式中:ωk為k階固有頻率。
振動(dòng)系統(tǒng)在第k階模態(tài)振動(dòng)時(shí),分配到第i個(gè)廣義坐標(biāo)上能量的總和占整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)總能量的百分比為:
當(dāng)(Erk)i=100%時(shí),說(shuō)明第k階模態(tài)振動(dòng)能量全部集中在第i個(gè)廣義坐標(biāo)上,其他自由度上沒(méi)有振動(dòng)能量,即不發(fā)生振動(dòng),這就實(shí)現(xiàn)了解耦。
在理想狀態(tài)下,IMU的質(zhì)心和隔振器的剛度中心完全重合,IMU在6個(gè)自由度上的振動(dòng)完全解耦。對(duì)于初始設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的質(zhì)心和隔振器的剛度中心之間具有3.2 mm的偏差。因而,需要通過(guò)調(diào)整陀螺儀和加速度計(jì)的位置以及支架結(jié)構(gòu)尺寸,使IMU的質(zhì)心與隔振器的剛度中心基本重合,進(jìn)而使IMU在各自由度上的振動(dòng)都具有很高的解耦率。
在三維軟件Catia中,輸入各個(gè)部件的材料參數(shù),對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)的位置以及支架的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整。文中使用的4個(gè)隔振器的規(guī)則相同,并且每個(gè)隔振器在空間三向具有相同的剛度,所以4個(gè)隔振器安裝點(diǎn)坐標(biāo)的平均值即是剛度中心坐標(biāo)。調(diào)整后IMU質(zhì)心的坐標(biāo)為(104.87,97.173,-96.15),4個(gè)隔振器剛度中心的坐標(biāo)為(105,97,-96),兩坐標(biāo)的差值為(0.13,0.173,0.15)??梢钥闯?,裝配體的質(zhì)心和隔振器的剛度中心基本實(shí)現(xiàn)了完全重合。
調(diào)整前后IMU減振系統(tǒng)的振動(dòng)解耦率見(jiàn)表1和表2。通過(guò)對(duì)比分析可知,對(duì)IMU調(diào)整之前,振動(dòng)解耦率較低,IMU的振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)耦合。在IMU調(diào)整后,在各階模態(tài)上的振動(dòng)解耦率都有很大的提高。其中,一、五、六階模態(tài)實(shí)現(xiàn)了完全解耦,二、三、四階模態(tài)的解耦率也都大于80%,有助于使IMU在各個(gè)方向上都獲得良好的減振效果。
表1 調(diào)整前解耦率Table 1 Decoupling rate before adjustment
表2 調(diào)整后解耦率Table 2 Decoupling rate after adjustment
選用的橡膠隔振器如圖3所示,它由上支座、下支座以及隔振橡膠組成。上支座連接IMU,下支座與載體連接,起到安裝和支持的作用。錐形的硫化橡膠件是主要的減振元件,為了防止橡膠件發(fā)生脫落,將金屬件嵌入到凸出的兩個(gè)圓環(huán)中從而加強(qiáng)膠合。為了對(duì)IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)和沖擊響應(yīng)仿真分析,需要對(duì)橡膠材料進(jìn)行表征。
圖3 隔振器結(jié)構(gòu)Fig.3 The sketch of damper
橡膠材料是一種具有非線性、超彈性的各向同性近似不可壓縮材料?;趹?yīng)變能密度函數(shù)的大彈性變形本構(gòu)理論[12]是描述超彈性材料特性的有效理論之一,根據(jù)超彈性本構(gòu)關(guān)系模型,應(yīng)變能密度函數(shù)采用的多項(xiàng)式形式表示為[13]:
式中:N是項(xiàng)數(shù);Cij和Di分別用來(lái)描述橡膠材料的剪切特性和可壓縮性;I1,I2分別是第一、第二偏應(yīng)變不變量;Jel是彈性體積比。當(dāng)項(xiàng)數(shù)為1時(shí),式(8)可轉(zhuǎn)化為:
采用Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型對(duì)橡膠材料進(jìn)行表征,只需要確定橡膠材料的相關(guān)系數(shù)C10,C01和D1,橡膠材料的彈性特性即可得到表征。橡膠材料系數(shù)與初始剪切模量G0和體積模量K0的關(guān)系為[10]:
采用實(shí)驗(yàn)的方法[13]確定Mooney-Rivlin模型材料系數(shù)較為復(fù)雜,提高了減震器的設(shè)計(jì)成本和難度。橡膠的超彈性材料系數(shù)C01/C10和邵氏硬度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如圖4所示,根據(jù)圖4可以初步確定其相關(guān)的材料系數(shù)[14]。
圖4 C01/C10與邵氏硬度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Fig.4 Empirical relationship between C01/C10and HS
根據(jù)式(10),橡膠材料的等效彈性模量E以及等效剪切模量G與系數(shù)C10,C01的關(guān)系為[15]:
對(duì)于確定硬度的橡膠材料,可通過(guò)圖4確定C01/C10值,代入到式(11)中,可求解出C01,C10。設(shè)橡膠材料的參數(shù)D1為0,邵氏硬度為36°,根據(jù)圖4和式(11)可確定的材料系數(shù)為:C01=0.0164,C10=0.1825,D=0。
在商業(yè)有限元軟件HyperMesh中,采用六面體單元對(duì)IMU減振系統(tǒng)劃分網(wǎng)格,劃分的單元總數(shù)為132 508個(gè)。采用剛性接觸定義各個(gè)接觸面,并且對(duì)隔振器安裝面上的自由度進(jìn)行全約束,建立的IMU減振系統(tǒng)的有限元模型如圖5所示。把建立的有限元模型導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行計(jì)算分析。
對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行分析時(shí),結(jié)構(gòu)阻尼采用復(fù)合阻尼,其表達(dá)式為:
圖5 IMU隔振系統(tǒng)的有限元模型Fig.5 The FEM model of the IMU vibration system
在有限元軟件ABAQUS中對(duì)建立的有限模型進(jìn)行頻率響應(yīng)分析,求解方法為模態(tài)疊加法,分別在4個(gè)隔振器安裝面的X,Y,Z三個(gè)方向上施加幅值為0.5g,頻率為10~500 Hz的加速度基礎(chǔ)激勵(lì)。分析IMU在X,Y,Z三個(gè)方向上的加速度響應(yīng),其頻率響應(yīng)曲線分別如圖6所示,其中,T為傳遞率。
通過(guò)分析圖6,IMU減振系統(tǒng)在X,Y,Z三個(gè)方向上的固有頻率分別為:93.2,92.5,94.1 Hz,等效阻尼比處于0.166~0.172之間,放大倍數(shù)在X,Y,Z三個(gè)方向上分別為3.072,3.12,3.17。滿足了IMU減振系統(tǒng)在三個(gè)方向上的剛度和阻尼相等的要求。
在沖擊響應(yīng)分析時(shí),對(duì)4個(gè)隔振器安裝面的Z方向上施加沖擊激勵(lì),沖擊激勵(lì)為55g的半正弦加速度激勵(lì),持續(xù)時(shí)間為11 ms,如圖7所示。得到IMU上的加速度響應(yīng)如圖8所示。
圖6 減振系統(tǒng)幅頻響應(yīng)曲線Fig.6 The frequency response curve
圖7 沖擊激勵(lì)加速度Fig.7 The acceleration of shock excitation
圖8 沖擊加速度響應(yīng)Fig.8 The acceleration of shock response
由圖8可見(jiàn),最大響應(yīng)幅值為70.1g,響應(yīng)被放大,其沖擊傳遞率大于1。該系統(tǒng)固有頻率在90 Hz以上,不能隔沖,如在此沖擊激勵(lì)條件下要得到較好的隔沖效果,需減小系統(tǒng)的固有頻率。分析圖9可得,隔振器最大壓縮量為0.92 mm,比結(jié)構(gòu)的預(yù)留空間2 mm要小很多,滿足IMU的設(shè)計(jì)要求。
圖9 隔振器的壓縮量Fig.9 The deformed distance of isolator
根據(jù)相關(guān)的產(chǎn)品定型試驗(yàn)指標(biāo)的要求,依據(jù)GJB 150.16—86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法·振動(dòng)試驗(yàn)》和GJB 150.18—86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法·沖擊試驗(yàn)》,分別對(duì)文中設(shè)計(jì)的IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試和沖擊試驗(yàn)測(cè)試。
在做頻率響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)時(shí),采用電動(dòng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)IMU進(jìn)行激振。IMU通過(guò)隔振器和夾具固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上,響應(yīng)信號(hào)采集點(diǎn)位于IMU上頂部,測(cè)量響應(yīng)點(diǎn)處的加速度響應(yīng)。試驗(yàn)測(cè)試時(shí),采用對(duì)數(shù)掃頻的方式,掃頻速率為1 oct/min,掃頻范圍為5~500 Hz,分別對(duì)振動(dòng)臺(tái)在X,Y,Z三個(gè)方向上施加正弦加速度激勵(lì),激勵(lì)幅值為0.2g。IMU減振系統(tǒng)的試驗(yàn)和仿真的諧振頻率和放大倍數(shù)見(jiàn)表3。
從表3中可以看出,減振系統(tǒng)在X,Y,Z三個(gè)方向上諧振頻率在90.79~92.91 Hz之間,放大倍數(shù)在3.12~3.42之間,試驗(yàn)驗(yàn)證了建立的有限元模型的正確性和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。
表3 隔振器固有頻率試驗(yàn)與仿真對(duì)比值Table 3 The comparison of experiment and simulation in vibration
沖擊試驗(yàn)中,沖擊激勵(lì)是峰值為55g的半正弦波,激勵(lì)持續(xù)時(shí)間為11 ms,沖擊激勵(lì)方向?yàn)閆向,得到的加速度響應(yīng)如圖10所示。在試驗(yàn)完成后,隔振器沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷,測(cè)量得到的最大加速度響應(yīng)峰值為72.47g,與數(shù)值計(jì)算值(71.3g)差別不大,說(shuō)明了IMU減振系統(tǒng)在沖擊響應(yīng)譜作用下具有很好的沖擊響應(yīng)。
圖10 沖擊試驗(yàn)激勵(lì)和響應(yīng)曲線Fig.10 The excitation&response of the shock experiment
文中對(duì)設(shè)計(jì)的IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性研究。主要結(jié)論如下。
1)建立了測(cè)量組合的三維模型,為了提高IMU的解耦率,調(diào)整IMU和支架的質(zhì)心,使IMU的質(zhì)心與4個(gè)隔振器的剛度中心基本重合。對(duì)比分析了IMU的質(zhì)心調(diào)整前后的解耦率,調(diào)整質(zhì)心后,IMU的解耦率大大提高,使各個(gè)自由度的解耦率都在80%以上。
2)采用Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型對(duì)橡膠隔振器的橡膠材料進(jìn)行表征,并初步確定了橡膠材料本構(gòu)表征模型的相關(guān)參數(shù)。建立了IMU減振系統(tǒng)的有限元模型,并對(duì)IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行了頻率響應(yīng)分析和沖擊試驗(yàn)分析。通過(guò)仿真分析,表明設(shè)計(jì)的減振系統(tǒng)滿足空間減振的要求。
3)對(duì)IMU減振系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)和沖擊響應(yīng)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的IMU減振系統(tǒng)滿足了在3個(gè)方向上剛度和阻尼相等的要求。通過(guò)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的IMU減振系統(tǒng)的有效性和有限元建模的正確性,為以后IMU減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究奠定了基礎(chǔ)。
[1] 黃金威,楊朋軍,于云峰,等.慣性平臺(tái)橡膠隔振器彈性特性的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2006.23(11):51—54.HUANG Jin-wei,YANG Peng-jun,YU Yun-feng,et al.Finite Element Analysis on Elastic Characteristics of Rubber Shock Absorber of Inertia Platform[J].Journal of Machine Design,2006,23(11):51—54.
[2] 黃林,王壽榮,顏澤飛,等.慣性技術(shù)中集成控制減振的研究[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),1998,6(2):15—28.HUANG Lin,WANG Shou-rong,YAN Ze-fei,et al.Research of Integrated Control Devibration in Inertial Technology[J].Journal of Chinese Inertial Technology,1998,6(2):15—28.
[3] 秦潔,師永寧.金屬絲網(wǎng)隔振器的研制與試驗(yàn)研究[J].裝備環(huán)境工程,2013,10(2):109—112.QIN Jie,SHI Yong-ning.Development and Test of Metal Wire Net Isolator[J].Equipment Environmental Engineering,2013,10(2):109—112.
[4] 李曉波,吳斌,董程,等.捷聯(lián)慣導(dǎo)減振系統(tǒng)的耦合振動(dòng)研究[J].裝備環(huán)境工程,2014,11(2):43—48.LI Xiao-bo,WU Bin,DONG Cheng,et al.Research on Coupled Vibration of Strapdown INS Damping System[J].Equipment Environmental Engineering,2014,11(2):43—48.
[5] 張生鵬,李曉剛.某橡膠減振墊加速貯存老化試驗(yàn)及壽命預(yù)測(cè)[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(5):24—28.ZHANG Sheng-peng,LI Xiao-gang.Accelerated Aging Tests and Storage Life Prediction for a Rubber Damping Pad[J].Equipment Environmental Engineering,2010,7(5):24—28.
[6] 王佳民,裴聽(tīng)國(guó).慣性平臺(tái)減振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及參數(shù)設(shè)計(jì)[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù),2003,43(4):51—54.WANG Jia-min,PEI Ting-guo.Dynamic Analysis of Inertial Plat form Vibration-Reduced System and its Parameters Design[J].Control Technology of Tactical Missile,2003,43(4):51—54.
[7] 姚建軍,付繼波,劉道靜.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)振動(dòng)耦合特性研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù),2005,49(2):55—58.YAO Jian-jun,F(xiàn)U Ji-bo,LIU Dao-jing.Coupled Vibration Characteristics of Strap down Inertial Navigation System[J].Control Technology of Tactical Missile,2005,49(2):55—58.
[8] 姚建軍.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不同隔振模式的比較[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2009,36(2):19—27.YAO Jian-jun.Contrast of Different Vibration Isolation Patterns Used in Strap-down Inertial Navigation System[J].Structure&Environment Engineering,2009,36(2):19—27.
[9] 劉世品,曾祥國(guó),黃光速,等.有限元頻響分析在減振器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,25(3):45—53.LIU Shi-pin,ZENG Xiang-guo,HUANG Guang-su,et al.The Frequency Response of Finite Element Analysis in the Application of Vibration Isolator Design[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology,2008,25(3):45—53.
[10]BANERJEE K,DAM B,MAJUMDAR K,et al.An Improved Dither-Stripping Scheme for Strapdown Ring Laser Gyroscopes[C]//IEEE 2004 Region 10 Conference,Tencon:IEEE,2004.
[11]VEPRIK A M,BABITSKY V I.Vibration Protection of Sensitive Electronic Equipment[J].Harsh Harmonic Vibration,2000,238(1):19—30.
[12]上官文斌,呂振華.汽車(chē)動(dòng)力總成橡膠隔振器彈性特性的有限元分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2003,24(6):50—55.SHANGGUAN Wen-bin,LYU Zhen-hua.Finite Element Analysis of Elastic Characteristics of Rubber Isolator for Automotive Powertrain Systems[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2003.24(6):50—55.
[13]費(fèi)康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.FEI Kang,ZHANG Jian-wei.Application of ABAQUS in Geotechnical Engineering[M].Beijing:China Water Conservancy and Hydropower Press,2010.
[14]任全彬,蔡體敏,安春利,等.硅橡膠“O”形密封圈Mooney-Rivlin模型常數(shù)的確定[J].固體火箭技術(shù),2006,29(2):130—134.REN Quan-bin,CAI Ti-min,AN Chun-li,et al.Determination on Mooney-Rivlin model constants of Silicon Rubber"O"-Ring[J].Journal of Solid Rocket Technology,2006,29(2):130—134.
[15]王銳,李世其,宋少云,等.橡膠隔振器系列化設(shè)計(jì)方法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2006,26(4):11—25.WANG Rui,LI Shi-qi,SONG Shao-yun.Research on Serialization Design Method of Rubber Vibration Isolators[J].Noise and Vibration Control,2006,26(4):11—25.