張洪偉，徐鈺蕾，譚淞年，李全超

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長焦紅外相機的減振系統(tǒng)設(shè)計

張洪偉，徐鈺蕾，譚淞年，李全超

（中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點實驗室 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

為了減小振動對長焦紅外相機成像質(zhì)量的影響，設(shè)計了一套新型減振系統(tǒng)。針對傳統(tǒng)減振系統(tǒng)的不足，提出了一種新型減振系統(tǒng)，可以很好地將外框架傳遞到內(nèi)框架上的振動隔離掉，通過Matlab采用參數(shù)優(yōu)化算法得到新型減振系統(tǒng)的最優(yōu)阻尼比opt為0.6532。為了檢測新型數(shù)減振系統(tǒng)的減振效果，對長焦紅外相機進行了有限元分析與試驗驗證。結(jié)果表明，新型減振系統(tǒng)在5～2000Hz頻帶向的減振效果高達94.67%，因此可適應(yīng)寬頻帶、大幅值隨機振動的工作環(huán)境，保證了設(shè)備的正常工作，提高了成像質(zhì)量。

長焦紅外相機；減振系統(tǒng)；有限元分析；隨機振動

0 引言

載體運動是長焦紅外相機工作時必須承受的惡劣環(huán)境之一，其具有寬頻帶、大幅值的特點[1-2]。這種工作環(huán)境不僅影響長焦紅外相機的成像質(zhì)量，造成圖像的模糊、扭曲、畸變等[3]，還會對設(shè)備的正常使用帶來安全隱患，縮短其使用壽命。隨著飛行器飛行速度的不斷增加，長焦距紅外相機的日益普及，振動帶來的不利影響將更加突出[4-6]，因此，為了保證長焦紅外相機的成像質(zhì)量，設(shè)計了一套新型減振系統(tǒng)，保證設(shè)備能夠正常工作。

目前，航空相機的減振系統(tǒng)主要為橡膠減振器，但其具有對溫度的敏感性強、環(huán)境適應(yīng)性差并且易老化等缺點。針對橡膠減振器的不足，國內(nèi)外很多研究人員就液體阻尼減振器進行了試驗研究，如美國的Honeywell公司為哈勃太空望遠鏡設(shè)計了一款液體阻尼減振器，哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院研制了一種液體阻尼減振平臺等。

設(shè)計了一種由粘性流體和金屬波紋管構(gòu)成的新型減振器，并且此減振系統(tǒng)采用吊裝結(jié)構(gòu)，在保證良好的減振性能的前提下，減小了系統(tǒng)安裝的尺寸空間，適用于各種機載航空光電遙感器[7]。

1 長焦紅外相機減振系統(tǒng)的設(shè)計

傳統(tǒng)長焦紅外相機的減振系統(tǒng)通常由彈簧和阻尼器組成，簡化模型如圖1(a)所示。其傳遞函數(shù)如下：

式中：為阻尼；為相機質(zhì)量；為彈簧系數(shù)。

由式(1)繪出的振蕩環(huán)節(jié)波德圖如圖1(b)所示。

(a) 減振系統(tǒng)的簡化模型

(b) 減振系統(tǒng)的波德圖

圖1 傳統(tǒng)減振系統(tǒng)

Fig.1 The traditional vibration damping system

由圖1(b)可以看出傳統(tǒng)減振系統(tǒng)隨著阻尼比的增大，共振頻率段的幅值逐漸變小，并且高頻段的衰減率也逐漸降低。因此傳統(tǒng)減振系統(tǒng)無法同時滿足共振頻率段的低幅值和高頻率段的高衰減率。

為解決上述矛盾，提出了一種新型減振系統(tǒng)。所謂的新型減振系統(tǒng)是由彈簧和并聯(lián)的彈性支承粘滯阻尼器構(gòu)成，通過改變參數(shù)（彈簧常數(shù)和阻尼）可同時達到在共振頻率段低幅值，以及在高頻率段高衰減率的目的，簡化模型如圖2(a)所示。其傳遞函數(shù)為：

式中：1、2為彈簧系數(shù)。

由式(2)繪出的振蕩環(huán)節(jié)波德圖如圖2(b)所示。

(a) 減振系統(tǒng)的簡化模型

(b) 減振系統(tǒng)的波德圖

圖2 新型減振系統(tǒng)

Fig.2 The new vibration damping system

在選擇合適的阻尼比的過程中，通過Matlab采用參數(shù)優(yōu)化算法尋求最優(yōu)阻尼比opt。預(yù)先估計系統(tǒng)的質(zhì)量，問題歸為尋找長焦紅外相機減振系統(tǒng)的最優(yōu)阻尼比opt。這是一個一維參數(shù)優(yōu)化的問題，采用數(shù)值方法求得opt。方法如下，選擇不同的阻尼比值分別進行數(shù)值運算，采用Matlab軟件繪出不同阻尼比條件下的波德圖，當(dāng)曲線的峰值點為公共點時，相應(yīng)的阻尼比便是要尋找的最優(yōu)阻尼比opt，如圖2(b)所示。根據(jù)設(shè)計要求，得到長焦紅外相機的質(zhì)量為，按上述方法進行參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)阻尼比opt＝0.6532。

1.1 新型減振器的設(shè)計

新型減振器是由金屬波紋管與粘性流體構(gòu)成的，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。在此結(jié)構(gòu)中，作為彈簧系數(shù)（1和2）的金屬波紋管形成2個流體室，并且通過節(jié)流孔進行連接。金屬波紋管內(nèi)充有粘性流體，當(dāng)粘性流體通過節(jié)流孔時，觸發(fā)粘性阻尼。通過更換不同粘度的粘性流體可以改變隔離器的阻尼。

圖3 新型減振器的結(jié)構(gòu)

1.2 新型減振系統(tǒng)的設(shè)計

新型減振系統(tǒng)由6個新型減振器構(gòu)成，形成一個多軸減振平臺。新型減振器上端、底部分別設(shè)計成外螺紋和內(nèi)螺紋形式用于與柔性接頭連接，并且在新型減振器殼體底部裝有力傳感器。多軸減振平臺屬于六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、減振性能良好的特點，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多軸減振平臺的結(jié)構(gòu)

Fig.4 Multi-axis vibration isolation platform

2 長焦紅外相機的有限元分析

為了測試所設(shè)計的多軸減振平臺的減振效果以及長焦紅外相機在多種振動干擾下的狀態(tài)和動力學(xué)性能，對其進行了模態(tài)分析以及隨機響應(yīng)分析。

2.1 長焦紅外相機的有限元模型

長焦紅外相機的有限元模型如圖5所示。為了保證有限元仿真結(jié)果與動力學(xué)環(huán)境試驗結(jié)果更貼近，在對長焦紅外相機進行有限元分析時將試驗工裝也一并加到分析模型中。根據(jù)長焦紅外相機各構(gòu)件的特點，在劃分網(wǎng)格時采用殼單元、桿單元、梁單元、集中質(zhì)量點等，其中多軸減振平臺采用BUSH單元。該有限元模型共有單元190587個，節(jié)點207926個。

2.2 材料屬性

長焦紅外相機由許多構(gòu)件構(gòu)成，主要構(gòu)件有殼體、內(nèi)框架、窗口玻璃、主次鏡、鏡筒、鏡座、連接板、蓋板、試驗工裝等，主要材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

2.3 載荷、邊界條件以及分析結(jié)果

為了考核裝有減振系統(tǒng)的長焦紅外相機在航空復(fù)雜環(huán)境下的動力學(xué)特性，首先對其進行了模態(tài)分析，約束條件是將試驗工裝與振動臺連接的4處安裝面上的節(jié)點的6個自由度全部約束（如圖5所示）。長焦紅外相機的前三階模態(tài)振型如圖6所示，前三階固有頻率及振型描述如表2所示。

圖5 長焦紅外相機的有限元模型

圖6 前三階模態(tài)振型

表2 前三階模態(tài)分析結(jié)果

然后對其、、三個方向進行了隨機響應(yīng)分析，其中、、三個方向分別對應(yīng)長焦紅外相機的航向、展向以及法向。隨機振動的輸入為試驗工裝底部與振動臺連接的4處安裝位置的隨機加速度激勵，具體參數(shù)如表3所示。根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)定模態(tài)阻尼比為0.03。為了檢測所設(shè)計的減振系統(tǒng)的減振效果，將采樣點設(shè)在內(nèi)框架的位置，具體位置如圖5所示。仿真分析出采樣點處的隨機響應(yīng)曲線如圖7所示。

表3 隨機振動試驗參數(shù)

圖7 隨機響應(yīng)分析曲線

3 長焦紅外相機振動試驗

長焦紅外相機的動力學(xué)環(huán)境試驗在中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的環(huán)境試驗站進行的，采用的設(shè)備為LMS-V964型電磁振動臺。將2個傳感器粘貼在長焦紅外相機的內(nèi)框架上，具體位置如圖5所示，試驗現(xiàn)場如圖8所示。

試驗所用的傳感器可以采集到、、三個方向的信號，信號通道4、5、6分別對應(yīng)1號傳感器的、、三個方向，信號通道7、8、9分別對應(yīng)2號傳感器的、、三個方向。動力學(xué)環(huán)境隨機激勵信號輸入條件如表3所示。在對長焦紅外相機、、三個方向進行隨機振動前，首先分別對其3個方向進行了5～2000Hz頻段內(nèi)的正弦掃頻試驗以查看具有減振系統(tǒng)的長焦紅外相機的固有頻率。長焦紅外相機、、三個方向的正弦掃頻試驗曲線如圖9所示。

圖8 試驗現(xiàn)場

圖9 正弦掃頻試驗曲線

由圖9可知，裝有減振系統(tǒng)的長焦紅外相機向的一階固有頻率為16.24Hz，向的一階固有頻率為15.51Hz，向的一階固有頻率為6.21Hz，分別對應(yīng)模態(tài)分析的三階固有頻率、二階固有頻率以及一階固有頻率。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表4所示，其最大誤差為6.6%。

表4 模態(tài)分析與試驗結(jié)果對比

然后對其3個方向進行了5～2000Hz頻段內(nèi)的隨機振動試驗。長焦紅外相機、、三個方向的隨機響應(yīng)曲線如圖10所示。仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果的RMS值與減振效果對比如表5所示。

將仿真分析出的、、三個方向的3條振動曲線（圖7）與試驗得到的、、三個方向的3條振動曲線（圖10）分別進行對比，可以發(fā)現(xiàn)第一個共振峰對應(yīng)的頻率值基本一致，各階共振峰對應(yīng)的頻率值也大體一致，、、三個方向?qū)?yīng)振動曲線的發(fā)展趨勢也大體一致。由表5可以看出仿真分析與試驗結(jié)果的最大誤差為6.7%，并且整機向減振效果高達94.67%，向的減振效果最小為82.80%。

圖10 隨機振動試驗曲線

表5 隨機響應(yīng)分析與試驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

簡述了航空復(fù)雜環(huán)境對長焦紅外相機成像質(zhì)量的影響，為提高成像質(zhì)量，設(shè)計了一套新型減振系統(tǒng)。減振器的阻尼可通過更換不同粘度的粘性流體進行改變，通過分析計算得到減振器的最優(yōu)阻尼比opt＝0.6532。為驗證所設(shè)計的減振系統(tǒng)的減振性能以及整機在多種振動干擾下的動力學(xué)性能，首先對其進行了模態(tài)分析以及隨機響應(yīng)分析，隨后對整機進行了試驗驗證。從分析結(jié)果和試驗結(jié)果可以看出向的衰減率高達94.67%。

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Design of Vibration Damping System for Infrared Camera with Long Focal Length

ZHANG Hongwei，XU Yulei，TAN Songnian，LI Quanchao

(,,,,130033,)

In order to reduce the influence of vibration on the image quality of the infrared camera with long focal length, a new vibration damping system is developed. A new vibration damping system is designed to isolate the vibration from inter frame to outer frame effectively in view of the shortage of the traditional vibration damping system. By using Matlab and the parameter optimization method, the optimum damping ratiooptof the new vibration damping system was calculated to be 0.6532. In order to test the vibration damping effect of the new vibration damping system, finite element analyses and experiments are carried out for the whole system. The result indicates that the vibration damping effect todirection of the new vibration damping system is 95.2 percent under a frequency range varying from 5 to 2000 Hz. So the vibration damping system can be suitable for using in the harsh vibration environment. And the image quality of the infrared camera with long focal length has been improved.

infrared camera with long focal length，vibration damping system，finite element analysis，random vibration

V243.5

A

1001-8891(2016)08-0643-05

2016-01-25；

2016-02-01.

張洪偉（1987-），男，河北省衡水市人，碩士，研究實習(xí)員，主要研究方向為航空光電系統(tǒng)設(shè)計及分析。E-mail：xjtuzhw@foxmail.com。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（61405192），中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新基金項目（CXJJ-15S158）。