（海裝駐漢中地區(qū)軍事代表室 漢中 723000）

1 引言

為精確測量飛機航向、俯仰、傾斜三個軸向的角速率和加速度等參數(shù)，確保飛控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，飛機慣導(dǎo)系統(tǒng)中的慣性測量組件在滿足組件功能性能、電磁兼容性、可靠性、測試性、安全性、維修性等要求前提下必須具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，對于海上飛機而言，尤其要求了更高的防腐蝕性能、良好的密封性、抗振動性能［1～2］?；诖?，本文研究了慣性組件的固有頻率、振動響應(yīng)、模態(tài)特征等，為慣性測量組件的設(shè)計、開發(fā)、使用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 組件固有頻率分析

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)組件中零件的大小和仿真計算機的運算能力分別進行零件網(wǎng)格大小的劃分，共劃分單元數(shù)47751個，有限元模型見圖1。

器件的元器件的質(zhì)量特性均較小，因此在模擬連接關(guān)系時均予以忽略。器件的主要結(jié)構(gòu)為底座、蓋板、速率陀螺儀，其中蓋板與底座、速率陀螺儀與底座均采用螺釘固緊方式，故在仿真時以上零件的連接關(guān)系采用面面粘合的模擬方式。

圖1 有限元模型

2.2 模態(tài)分析

對慣性測量組件進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，模擬組件在激勵頻率作用下，所發(fā)生的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)及其組合等空間變形的形態(tài)。前6階模態(tài)均在900 Hz以上，仿真分析的前6階頻率結(jié)果見表1，其對應(yīng)的位移結(jié)果見圖2～圖7。

表1 諧振頻率及位置

圖2 一階模態(tài)分析結(jié)果

圖3 二階模態(tài)分析結(jié)果

圖4 三階模態(tài)分析結(jié)果

圖5 四階模態(tài)分析結(jié)果

圖6 五階模態(tài)分析結(jié)果

圖7 六階模態(tài)分析結(jié)果

參考GJB150.16A關(guān)于相關(guān)振動的說明，固定翼飛機在著陸沖擊和機動飛行時為低頻振動，因此根據(jù)仿真結(jié)果遠離機上常見的長時間低頻機械振動頻段［3］，從而避免了諧振現(xiàn)象的發(fā)生。保證慣性測量組件在使用過程中不會出現(xiàn)共振情況，具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

3 支架與組件配合后仿真分析

為更準確的分析安裝支架的固有頻率，對經(jīng)過簡化的支架上安裝有慣性測量組件時的模態(tài)分析見圖8～圖13。此次仿真采用與產(chǎn)品質(zhì)量、體積一致的質(zhì)量塊的形式進行［4］。

該種仿真情況是對安裝支架帶有負載的一種考核形式，可以更為準確地清楚安裝支架模態(tài)情況。

安裝支架模態(tài)分析的前6階頻率結(jié)果見表2。

表2 支架諧振頻率及位置

圖8 支架與組件配合的一階模態(tài)位移

圖9 支架與組件配合的二階模態(tài)位移

根據(jù)仿真結(jié)果，安裝支架的固有頻率較高（大于2000Hz），且諧振位置遠離慣性測量組件和托架的固定點（銷子、搖擺螺栓位置）和組件品的敏感角速率元件。結(jié)果表明，慣性測量組件安裝后的諧振頻率遠離固定翼飛機常見的長時間低頻機械振動頻段，從而避免了諧振現(xiàn)象的發(fā)生。

圖10 支架與組件配合的三階模態(tài)位移

圖11 支架與組件配合的四階模態(tài)位移

圖12 支架與組件配合的五階模態(tài)位移

圖13 支架與組件配合的六階模態(tài)位移

4 隨機振動仿真結(jié)果及分析

慣性測量組件所工作的飛行環(huán)境往往包含許多不規(guī)則振動載荷，因此本文研究了慣性測量組件在三軸隨機振動載荷條件下的應(yīng)力和位移響應(yīng)。

圖14～圖19分別為計算得到的慣性測量組件承受沿縱向（X）、橫向（Y）、豎向（Z）三方向振動載荷時的應(yīng)力、位移響應(yīng)分布結(jié)果。表3為三個方向的應(yīng)力云圖和位移量云圖中最大應(yīng)力值和最大位移量出現(xiàn)的具體位置和數(shù)值。

圖14 承受縱向（X）振動載荷時慣性測量組件等效應(yīng)力分布圖

圖15 承受縱向（X）振動載荷時慣性測量組件沿縱向（X）位移響應(yīng)云圖

圖16 承受橫向（Y）振動載荷時慣性測量組件等效應(yīng)力分布圖

由上述結(jié)果可知，慣性測量組件承受三個方向振動載荷時，最大等效應(yīng)力值分別為27.7MPa、60.1MPa和1.8MPa，遠小于組件固定材料的許用應(yīng)力值（120MPa），具有充足的強度余量，慣性測量器件的應(yīng)力響應(yīng)能滿足機上要求；位移量的最大值分別為0.003mm、0.09mm和0.005mm，不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)間的變形和慣性測量組件的失效，對內(nèi)部安裝的慣性傳感器的安裝失準角［5］變化可以忽略不計。

圖17 承受橫向（Y）振動載荷時慣性測量組件沿橫向（Y）位移響應(yīng)云圖

圖18 承受豎向（Z）振動載荷時慣性測量組件等效應(yīng)力分布圖

圖19 承受豎向（Z）振動載荷時慣性測量組件沿豎向（Z）位移響應(yīng)云圖

5 結(jié)語

通過本文的研究，得到以下結(jié)論。

1）某型慣性測量組件六階的諧振頻率均在900Hz以上，遠離固定翼飛機起飛、降落、飛行時的低頻振動載荷頻率，有效地避免了共振現(xiàn)象。

表3 慣性測量組件隨機振動分析結(jié)果

2）某型慣性測量組件與支架安裝固定后的諧振頻率相比組件自身的固有頻率有明顯提高，與載機低頻振動載荷相差較大，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3）某型慣性測量組件在三軸隨機振動載荷作用下的應(yīng)力、位移量的最大值低于組件選用固定材料的許用值，其強度余量充足，不影響組件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。