机载光电设备隔振装置设计开发与性能分析

董海波，武文华

(大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

0 引言

空间飞行器、运载火箭在主动飞行阶段会产生各种激励，这种激励会对其装备的光电设备产生影响.由于火箭发动机的工作和跨音速阶段的附面层干扰等情况造成了严重的振动，此外，飞行器自带的各类发动机工作时也会产生动力干扰.所有这些动力干扰环境都能引起火箭和飞行器结构系统仪器设备的动态响应，并影响一些仪器设备的正常工作，甚至造成飞行器的运行失控.为了抑制飞行器设备受到振动影响所导致的零件疲劳、损伤和工作失效等问题，为了保证仪器设备的正常使用，通常在所需要保护的机构中安装抗冲击隔振装置，通过装置中隔振、吸能元件的联合作用，从而减少外载荷对机载结构的振动作用，目前对于飞行器上所使用的高性能隔振设备的研究非常重要.

机载光电设备是安装在航空飞行器上用于武器系统稳瞄、光电侦察以及搜索营救等用途的装置［1］.在现代战争中，如何从敌我双方获取信息并进行相关的信息识别和处理，从而判断出敌我双方的位置，进而实施干扰或防护的功能是战争胜负的关键.机载光电对抗稳定平台系统正是为满足该需求而设计的光机电一体化系统.机载光电对抗稳定平台能够实现对运动目标的实时捕获、跟踪和干扰，而且它是集光学技术、激光技术、精密机械技术、电子学技术、光电传感技术、自动控制技术和计算机技术等多学科技术为一体的多系统集成设备，体现了现阶段新军事变革对武器装备的要求［2］.当今光电设备已经在军事上有着广泛而重要的用途，对机载光电设备的研究是军事工程领域的一个重要课题.由于机载光电设备以飞行器为载体，飞行器振动会通过机载光电设备的座架固定点传到光电设备，影响光学器件的成像质量，所以必须解决振动问题.现代军事工业技术的飞速发展促进了阻尼减振技术的发展和应用.航空飞行器在飞行的过程中需要隔振装置对光电设备进行隔振，使其能够保证安全正常的使用.另外从设计要求和使用环境入手，设计机载光电设备的隔振支座，满足设备的使用需求，同时也要考虑降低设计成本，达到事半功倍的效果.

1 振动控制分类

根据隔振装置是否要求该振动系统以外的能源装置提供能量支持减振装置正常工作，一般分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制几种［3-5］.图1给出了常用的工程结构的减振控制分类.

图1 减振系统分类

2 振动控制理论

图2所示为一单自由度调谐质量阻尼器(TMD)简化计算模型.

图2 TMD系统简化计算模型

它的运动微分方程表示为

令TMD系统相对于结构的位移为x2，即

经过计算得

一般采用传递率T和减振效率ε=(1－T)或振动衰减量ΔLn=20lg(1/T)来评价减振效果.对于力激励和运动激励来说，两种激励形式的传递率是相等的，且都是激励频率的函数［7］，即

因此，力激励时保护基座采用的技术原则和运动激励时保护动力系统采用的技术原则是相同的.

3 橡胶隔振支座的力学性能

橡胶支座的力学性能如形状系数、刚度取决于支座的形状以及夹层橡胶的物理性能［8］.

3.1 橡胶支座的形状系数

在叠层隔振橡胶支座的设计中，薄钢板对橡胶夹层具有约束效应，支座竖向刚度和承载力密切相关的第一形状因数S1=D/(4tr)，与支座稳定性相关的第二形状因数S2=D/(ntr)，都与橡胶夹层层数、厚度、受压面积和自由表面积有关.

S1是与竖向刚度和转动刚度有关的参数.S1越大，相对来说橡胶片的厚度越薄，竖向刚度和弯曲刚度越大.S2是与承载能力和水平刚度有关的参数.根据目前研究成果和应用经验，一般要求S1≥15，S2=3～6.在此条件下，橡胶支座的极限压应力一般可达95～120 MPa，其受压承载力的安全系数可达9～12，具有足够大的安全储备.

3.2 橡胶支座的刚度

橡胶支座的水平刚度分为纯剪切式和压屈式分别可按式(7)、(8)计算求得:

由式(7)、(8)可以看出，影响橡胶支座水平刚度的因素主要是橡胶材料的力学性能、竖向荷载以及剪切变形.

橡胶支座的竖向刚度可按照式(9)计算:

由式(9)看出，影响橡胶支座竖向刚度因素主要是橡胶材料的力学性能、竖向荷载以及剪切变形等.

4 隔振支座有限元模拟

根据飞机上空间和所采用的光电设备的质量要求，结合支座的构造图，建立了隔振支座的有限元模型，如图3所示.

图3 隔振支座有限元模型

整个隔振支座由夹层橡胶、夹层钢板和上下连接钢板构成.其中上下连接钢板分别连接底部结构和上部结构，并传递支撑力.支座内部布置不同层数的夹层钢板以提高橡胶支座的竖向刚度，使之能够有效的支撑结构物.夹层橡胶起到吸收能量、集中变形以及弹性复位功能.其隔振效果主要由隔振橡胶的厚度所控制.

图4 模型网格图

运用ABAQUS软件中的C3D8H单元模拟橡胶，C3D8R单元模拟钢板.隔振支座的网格模型如图4所示.光电设备质量 M=180 kg，用质量点模拟代替，橡胶夹层的直径为500mm.通过设置外加激励的形式，模拟光电设备的动力学响应，为了更好的量化设计指标和隔振效果，选取简谐激励 f(t)=Psinθ，通过改变P和θ的值来进行多工况下的数值分析.

利用有限元分析，在外加激励作用下可以得到光电设备质量点的振动响应.对阻尼比系数ξ=0.08的橡胶隔振支座与初始外加激励P=0.01相比较，从图5中看出隔振支座的减振效果接近85%.

图5 振动响应对比

图6给出了隔振支座的总体应力分布图，由图中可知该支座在垂直方向的最大应力为26.1 MPa，出现在橡胶夹层中.

图6 支座的应力分布图

5 多种型号隔振支座模拟

改变支座中夹层橡胶和钢板的层数、厚度，构造不同型号的隔振支座.分别对各个型号隔振支座进行相同外加激励条件下的模拟分析，对各个支座的振动响应的进行对比，总体来看，各个支座的减振效果都很明显，如附表所示.

附表 各种型号(D/tr/n)支座第一和第二形状因数值

附表 各种型号(D/tr/n)支座第一和第二形状因数值(续)

为了进一步验证阻尼比对减振结果所起到的作用，针对500/7/14支座类型，分别使用三种符合橡胶隔振器规范的阻尼比(0.08、0.09、0.10)进行模拟计算.可以看出随着阻尼比的增加，支座的隔振效果也逐步增加.阻尼比为0.10的橡胶其隔振效果接近90%.如图7、图8所示.

图7 三种支座振动响应对比

图 8 阻尼比分别为 ζ =0.08、0.09、0.1 结果对比

6 结论

本文根据飞机中空间布置和机载光电设备质量进行了多种叠层橡胶隔振支座设计，并利用有限元软件ABAQUS对所设计的隔振支座进行计算机数值模拟，通过对模型施加初始幅值为0.01 m的简谐激励，分析光电设备在隔振支座作用下的振动响应.根据模拟结果来看，叠层橡胶隔振支座能够很好的对机载光电设备进行减振，在飞机的飞行过程中，可以对设备的稳定性起到很好的效果，使光电设备能够在相对比较稳定的环境下工作，在较保守的阻尼比为0.08的情况下，其减振效果能够超过80%，在阻尼比为0.10的情况下起隔振效果能够近似90%.

叠层橡胶支座优化设计.叠层橡胶支座的水平刚度、竖向刚度等性能很大程度上依赖于橡胶支座的形状系数，同时形状因数还会影响叠层橡胶支座的隔振效果.叠层橡胶支座的竖向刚度很大，而水平刚度相比较就小了许多，有的橡胶支座的水平刚度为竖向刚度的1/1 000，对于某些特定的情况，利用水平刚度小的支座减振效果更好，但是有些时候需要竖向刚度和水平刚度都很大的支座.得到合理的水平刚度、竖向刚度并能根据需要增强其应用范围和稳定性.

对于橡胶材料的性能的选择.橡胶材料的弹性模量相对于金属材料较小，但是其泊松比较大，接近0.5，通常情况下可以认为橡胶是一种不可压缩的材料，很明显的是阻尼比越大，减振效果更好.橡胶还是一种容易老化的材料，还要考虑到设备的使用频率，支座的更换也是在所难免的.这就需要在选取材料的时候，选择高阻尼抗老化的特种橡胶，这样不但可以提高叠层橡胶减振支座的减振性能，而且还可以提高支座的使用寿命.但是相对于天然橡胶来说，特种橡胶的生产流程相对很长，还会受到技术等因数的限制，高阻尼抗老化橡胶材料的开发研究也需要更进一步.

［1］舒陶，任宏光，陈祖金.机载光电设备减振机构的振动分析及实现［J］.航空兵器，2007(4):45-48.

［2］石利霞.机载光电对抗稳定平台目标跟踪干扰技术研究［D］.吉林:长春理工大学，2009.

［3］刘旭辉.磁流变液阻尼减震器及其振动控制的研究［D］.天津:天津理工大学，2005.

［4］张景绘，李新民.主、被动振动控制一体化理论及技术(Ⅰ)——导论［J］.强度与环境，2004，31(1):50-63.

［5］李春祥，刘艳霞，王肇民.质量阻尼器的发展［J］.力学进展，2003，33(2):194-206.

［6］林均岐，王云剑.调谐质量阻尼器的优化分析［J］.地震工程与工程振动，1996，1(1):116-121.

［7］戴德沛.阻尼技术的工程应用［M］.北京:清华大学出版社，1991.

［8］户原春彦.防振橡胶及其应用［M］.北京:中国铁道出版社，1982.