一种直升机机载跟瞄系统被动隔振平台设计.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:通信作者:徐耀玲教授:.引用格式:霍健徐耀玲.一种直升机机载跟瞄系统被动隔振平台设计.应用力学学报():.():.文章编号:()一种直升机机载跟瞄系统被动隔振平台设计霍健徐耀玲(燕山大学建筑工程与力学学院 秦皇岛)摘 要:隔振平台连接直升机机体与光电跟瞄吊舱对机载跟瞄系统的跟瞄精度至关重要 采用多个笼形隔振器并联设计了一种直升机机载跟瞄系统的被动隔振平台 由欧拉变换描述隔振平台的空间姿态基于 方法建立隔振平台的动力学模型获得了不同激振频率下隔振平台的振动传递率 利用 动力学仿真验证了隔振平台理论模型的正确性校核了大过载情况下隔振平台的冗余保护能力 通过实际飞行测试检验了隔振平台的隔振效果关键词:直升机跟瞄系统被动隔振振动传递率中图分类号:文献标志码:./.():.:直升机是近地航空侦查、打击的主要装备凭借现代化的机载跟瞄系统可以对目标实施连续的跟踪观察并引导武器系统对目标进行精确打击 气流和直升机机体的振动会引起机载跟瞄系统的角振动和线振动对视轴稳定影响显著 美国空军实验室的一项研究中还表明机载电子设备故障数的是由振动和冲击引起的 因此跟瞄系统和机体之间的隔振措施对保证机载跟瞄系统的跟瞄精第 期霍健 等:一种直升机机载跟瞄系统被动隔振平台设计 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报度和设备的安全可靠至关重要机载跟瞄系统的隔振方式分为主动隔振和被动隔振 主动隔振通过向隔振对象施加驱动(力、速度、加速度)抵消其相应运动可在较宽频段范围内快速抑制振动 主动隔振一般结构复杂系统的重量和体积相对较大并且造价较高 被动隔振结构简单、造价低一般在中、高频段有着良好的隔振效果通过优化隔振器的结构也能使其在低频段实现优异的隔振效果 学者们对不同类型隔振器的特点进行了研究蝶形弹簧隔振器具有单位承载能力强及非线性载荷变形特性作为冲击机械的隔振器有较高的性价比囊式空气弹簧隔振器可通过调节气体压强方便地改变隔振器的刚度但该隔振器对工作环境要求苛刻同时配气设施限制了使用场景筒形金属橡胶隔振器适用微幅隔振系统能够在超低温、腐蚀性介质、高真空的恶劣环境有优秀的工作表现针对某察打一体直升机原有机载跟瞄系统隔振平台性能不佳的情况通过分析激振下隔振系统的空间运动状态设计一款结构可靠、隔振效果突出、能够 全 天 候 工 作 的 被 动 隔 振 平 台 采 用 方法建立隔振系统的动力学方程由四阶 法求解了系统的动力学响应并与 仿真结果进行了对比绘制了频率比在 之间的隔振平台的振动传递率曲线 通过实际飞行测试检验了隔振平台的隔振效果 机载隔振平台的结构和理论模型.直升机振动环境和被动隔振理论直升机外挂设备最主要的振源来自直升机旋翼 飞行过程中主旋翼和尾桨切割空气随着飞行速度的提升桨尖处的压缩气体出现气流分离现象气动激振力急剧增大桨叶在气流作用下发生挥舞、摆振和扭转变形在桨毂处产生周期性交变力和交变力矩 机载外挂设备受到的激励可分解为 个自由度方向(个线运动和 个角运动)的独立激励其中角运动激励频段比线运动激励频段高 采用被动隔振技术的隔振平台一般要求在系统 个自由度方向上的激振频率最小值大于隔振平台最大固有频率的 倍或在系统主要激振方向上激振频率最小值大于固有频率的 倍次要激振方向上适量放宽.隔振平台结构设计隔振平台由动平台、静平台和两者之间的笼形隔振器组成如图()所示 根据尺寸和布线要求动、静平台选为内外半径分别为 和、厚度 为的圆环 所设计的笼形隔振器由空腔金属笼网、金属橡胶、安装法兰和连接销组成如 图 ()所 示 空 腔 金 属 笼 网 材 料 为用于抵抗变形并产生恢复力 金属橡胶由.丝径的高猛氮不锈钢()构成作为能量耗散元件金属丝的变形可存储能量金属丝间的摩擦也可产生热能并向周围空气散发 笼形隔振器重量为.其独特的结构使其在不同侧向上拥有基本相同的刚度和阻尼 笼形隔振器通过安装螺栓与动、静平台相连其对称安装布局方式可降低系统运动耦合的发生 本隔振平台采用 个笼形隔振器对称安装的布局方式图 隔振平台示意图.隔振平台坐标系动、静平台可视为刚体在静平台中心建立随基座运动的静坐标系 (图)用于描述动平台上任意一点位移在动平台中心建立随任务载荷运动的动坐标系 在三维空间中动坐标系中各点的位姿向静坐标系中转换通过旋转矩阵来实现采用 定向旋转方向模式以 、表示动平台绕任意点的有效转动角度 动平台旋转后从动坐标系 到静坐标系 的旋转矩阵为 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 ()图 隔振平台坐标系.动平台角速度 为 ().隔振平台动力学方程采用基于能量概念的拉格朗日方法在系统静平衡位置建立以广义坐标 表示的无阻尼振动系统拉格朗日方程即()()()()()其中:为系统总动能 为系统总势能由于笼形隔振器质量相对于隔振系统总质量非常小在微幅振动下可不计其能量 总动能 可表示为()()其中:为系统质量 为平台线速度向量 为平台旋转角速度向量转动惯量矩阵为 ()其中 ()、和 为任务载荷的转动惯量将式()代入式()得系统动力学标准方程为()()()()()其中:()为系统惯性矩()为离心力哥式力矩阵刚度矩阵()()均为 矩阵 这些矩阵的表达式为()()式中 ()随机振动的能量经过隔振平台降低残存的能量仍可导致系统的离心力和哥式力突变 离心力哥式力矩阵()通过式()求解()()()()()()()式中()()()()()()()()()()()第 期霍健 等:一种直升机机载跟瞄系统被动隔振平台设计 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 ()式中()()()()()()()()()()()()()()()()()()()其中:表示动坐标系的初始位姿 表示任务载荷质心距离 的垂直距离、表示隔振器侧向刚度表示隔振器轴向刚度 隔振系统动力学仿真评估.隔振系统有限元模型与任务载荷相比隔振系统的转动惯量很小根据任务载荷形状、质量分布及转动惯量的具体情况有限元分析时将任务载荷等效为 、密度为./的圆柱体 笼形隔振器的密度为./动、静平台和等效载荷采用 节点的 单元进行自由网格划分笼形隔振器采用 节点的 单元并通过扫略的方式划分网格无阻尼隔振系统有限元网格如图 所示有限元计算表明当沿横、纵向和垂向发生 过载时隔振平台的强度安全系数分别为.和.图 隔振系统有限元网格.隔振平台刚度测量理论模型求解时需要已知系统的刚度通过实验测量了系统的刚度并与有限元结果进行了对比测试设备和现场如图 所示图 隔振平台刚度测量.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报横向/纵向刚度测量使用卧式压力试验机对动平台侧向施加推力加载速率 /加载位移.垂向刚度测量采用立式万能压力试验机对动平台施加压力加载速率 /加载位移.俯仰/翻滚回转刚度测量采用扭转实验机对动平台施加绕/轴的力矩 加载速率为/加载角度为 偏航回转刚度测量采用扭转实验机对动平台施加绕 轴的扭矩加载速率为/加载角度为 测试结果如图 所示可见力与位移成线性关系 表 给出了测量值 与有限元结果 对比其中误差计算公式为 ()由表 可知测试结果与有限元结果吻合良好图 刚度测试结果.表 刚度测量结果与有限元结果的对比.项目横/纵/()垂向/()俯仰/翻滚/()偏航/()有限元.测试值.误差.隔振系统理论模型的验证为了验证理论模型的正确性将理论模型的计算结果与有限元结果进行比较隔振系统有限元模型结构参数如表 所示依据军用装备实验室环境试验方法第 部分对静平台节点施加简谐位移激振 有限元模型采用 瞬态仿真模块求解理论模型的求解采用四阶 法 任务载荷质心位移响应时域结果的比较如图 所示图 位移响应时域曲线.第 期霍健 等:一种直升机机载跟瞄系统被动隔振平台设计 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 隔振系统结构参数.项目质量/转动惯量/()隔振系统.由图 可见理论结果与有限元结果一致验证了理论模型的正确性.隔振系统振动传递率扫频曲线隔振系统振动传递率定义为系统稳态运动时目标响应幅值与激励幅值之比图 给出了隔振系统在频率比 区间的位移振动传递率 由图可见对线振动(图 和)系统共振时传递率峰值约为 但共振区间窄有利于快速跨过共振区间发挥隔振效果 对角振动(图 和)系统共振时的传递率约为.在频率比为 时隔振系统可实现约 的振幅衰减图 位移振动传递率曲线.飞行测试将所设计的隔振平台安装于直升机上进行飞行测试得到了各方向的加速度传递率并与原隔振平台的测试结果进行了对比如图 所示图 隔振平台飞行减振振动测试.图()()为 个线振动的测试结果对比可见在线振动所关心的频段()上新隔振平台的隔振效果优于原隔振平台 图()()为 个角振动的测试结果对比在角振动所关心的 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报相对较高频段()上俯仰方向和翻滚方向的隔振效果较原隔振平台有明显的提升而偏航方向隔振效果与原新隔振平台基本持平测试结果表明所设计的笼形隔振器隔振平台能比原平台更有效地过滤向机载跟瞄系统传递的振动能量 该设计方案已被采纳 结 论采用笼形隔振器设计了一种直升机机载跟瞄系统的被动隔振平台 建立了平台的理论模型并验证了正确性获得了不同激振频率下隔振平台的振动传递率校核了大过载情况下隔振平台强度的冗余保护能力 结论如下)隔振系统的线振动共振区间窄有利于快速跨过共振区 而对角振动共振时的振动传递率较低约为.频率比为 时隔振系统可以实现约振幅衰减)通过实际飞行测试在所关心的频段所设计的隔振平台的隔振效果总体上大幅优于原有平台且满足全天候任务的需求参考文献:赵鹏杨牧张葆.航空机载光学设备的振动分析及座架减震器的设计.光学精密工程():.():()./.:/./.邹经湘于开平.结构动力学.版.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.黄映云吴善跃朱石坚.囊式空气弹簧隔振器的特性计算研究.振动工程学报():.():().夏宇宏姜洪源魏浩东等.金属橡胶隔振器抗冲击性能研究.振动与冲击():.():().姜洪源夏宇宏敖宏瑞等.航空发动机用特种金属橡胶构件的应用研究.燃气涡轮试验与研究():.():().():.柳文林穆志韬段成美.直升机振动与减振特性分析.海军航空工程学院学报():.():().邵忍平沈允文刘更等.直升机旋翼传动系统固有振动特性的研究.机械科学与技术():.():().冯志壮钱峰程起有等.新型液弹隔振器设计与仿真.航空学报(增刊):.():().严济宽.机械振动隔离技术.上海:上海科学技术文献出版社.蔡倩玲.用于轮毂抛光的六自由度并联机构设计及分析.秦皇岛:燕山大学.黄真孔令富方跃法.并联机器人机构学理论及控制.北京:机械工业出版社.李耀.六自由度隔振平台的设计与分析.南京:南京航空航天大学.吴江宁.并联式六自由度平台及其控制研究.杭州:浙江大学.钟万勰.应用力学对偶体系.北京:科学出版社.张文.转子动力学理论基础.北京:科学出版社.中国人民解放军总装备部.军用装备实验室环境试验方法 第 部分:振动试验:.北京:中国人民解放军总装备部.(编辑 黄崇亚 张璐)