舰载激光惯导系统冲击隔离器的设计

邹燕

（总装南京军代局，江苏 南京 210024）

0 引言

为使激光惯导系统适应舰船冲击的需求，国内外均进行了大量的研究，美国Sperry 船舶公司为其MK 49船用惯性导航系统研制了一个冲击隔离系统，该系统在六边形结构中使用了液体弹簧隔冲器，能够将冲击降低到30g 范围内并且具有较高的位置回复精度。目前，国内的科研院针对舰载激光惯导的冲击隔离器正在进行研究试验，主要形式有六连杆弹簧-液压阻尼系统、十二连杆弹簧-空气阻尼系统。

本文设计了六连杆弹簧-液压阻尼形式的激光惯导冲击隔离器，并利用多体动力学软件ADAMS 对其进行数值仿真分析，确定其主要参数，对抗冲击性能进行计算，并进行了试验验证。

1 舰载激光惯导冲击隔离器结构形式

六连杆并联机构是一种经典的结构形式，具有三个沿轴方向的平动自由度和三个绕轴方向的转动自由度。将六连杆并联机构的支撑杆设计为弹簧-阻尼形式便成为六连杆冲击隔离器。因具有多方向的冲击隔离能力以及冲击完成后较高的位置回复精度，能很好地满足舰载激光惯导的缓冲需求。

六连杆冲击隔离器由下台体、上台体及6 根阻尼连杆组成。下台体与舰船相连，承受船体传来的冲击；上台体与激光惯导设备相连，承受工作负载；阻尼连杆通过关节轴承连接上台体及下台体，如图1 所示。阻尼连杆为核心部件，由上弹簧、下弹簧、阻尼器及限位机构组成。其上弹簧承受自上而下的冲击，下弹簧承受自下而上的冲击，阻尼器用于消耗冲击能量，限位机构用于冲击完成后回复到固定的位置；通过对上弹簧和下弹簧施加合适的预紧力使其在正常工作过程中阻尼杆长度不发生变化，并消除各零件之间的间隙。

图1 六连杆冲击隔离器Fig.1 Hexapod shock isolator

2 六连杆冲击隔离器性能分析

2.1 六连杆冲击隔离器隔冲效率分析

（1）冲击载荷及数学模型。舰载设备的冲击试验在冲击机上进行，其冲击波形及作用时间较为复杂，国军标及相关文献没有给出具体的冲击谱，但在设计时给出了抗冲击设计评估计算方法。按照计算方法来分，目前抗冲击设计评估方法主要有DDAM 法和时域模拟法[1]。本文的仿真分析采用时域模拟法输入，以此方法来规范冲击环境，目前得到了广泛的应用。利用BV043－85 转换公式变换为组合三角波输入，时域冲击载荷对应的计算谱如图2 所示[2]。图中所示曲线其加速度公式为：

图2 时域冲击加速度曲线Fig.2 The accelerate curve of shock in time domain

根据文献[3]按冲击烈度最强、加速度幅值大、持继时间短的I 类安装区域的冲击谱作为输入条件。图2 中各点参数值如表1 所示。

（2）隔冲参数确定。上弹簧主要参数有刚度系数Ks，变形量Xs，预紧力Fs；下弹簧主要参数有刚度系数Kx，变形量Xx，预紧力Fx；阻尼器的阻尼系数为，阻尼器的最大相对速度为V。以上为影响隔冲效率的主要参数，也是弹簧设计及阻尼器设计的主要依据。

通过多体动力学软件ADMAS 进行仿真分析。将表1中的冲击载荷谱作为输入条件，以隔冲后的瞬时最大加速度值小于40g 为优化目标，即隔冲效率不低于79.2%，分别以上弹簧刚度Ks、下弹簧刚度Kx，阻尼器阻尼系数D 为设计变量并赋以初始值，将设计过程中阻尼连杆的空间距离作为约束条件，进行优化设计。通过多次计算比较，当上弹簧刚度Ks为20N/mm，下弹簧刚度Kx为40N/mm，阻尼杆系数D 为0.45Ne wton－sec/mm 时，能同时满足冲击隔离目标和工程设计要求。在此条件下的冲击响应、弹簧变形下图所示。

表1 时域冲击曲线对应参数Tab.1TheparameterofShock curveintimedomain

垂向向上冲击：如表1 所示，基座垂向最大冲击为ax=192g，垂向向上冲击时冲击谱与响应谱如图3（a）所示。经过隔冲后瞬时最大加速度峰值为as=2.8×102m/s2，即28g。弹簧变形如图3（b）所示。上弹簧最大变形Xs=20.5mm，下弹簧最大变形Xx=28.3mm。阻尼杆相对速度：V＝4.32m/s。垂向向上冲击时的隔冲效率为85.4%。

垂向向下冲击：冲击时其冲击谱与响应谱如图4（a）所示，经过隔冲后瞬时最大加速度峰值为as=3.466×103m/s2，即34.6g。弹簧变形量如图4（b）所示。上弹簧最大变形Xs=29.7mm，下弹簧最大变形Xx=13.5mm。阻尼杆相对速度：V＝4.12m/s。垂向向下隔冲效率为82%。

横（纵）向冲击：如表1 所示，横向冲击与纵向冲击时冲击谱相同，瞬时最大加速度为170g。横向冲击时冲击谱与响应谱如图5（a）所示。经过隔冲后上台体瞬时最大加速度峰值为as=1.8×102m/s2，即18g。弹簧变形如图5（b）所示。上弹簧最大变形Xs=9.59mm，下弹簧最大变形Xx=18.07mm。阻尼杆相对速度：V＝3.5m/s。横向冲击隔冲效率为89.4%。

2.2 动姿态精度分析

冲击隔离器的位置回复精度与其组成元件的加工精度以及装配时的各环节的配合间隙相关，本文不做讨论。冲击隔离器的动姿态保持精度除了与上述加工精度以及装配间隙相关外，上弹簧与下弹簧的预紧力对其有重要影响。冲击结束后，在预紧弹簧的作用下，保证阻尼连杆总长度回复到冲击前的平衡位置。

图3（a）垂向向上冲击响应谱Fig.3（a）The response spectrum to the upward-shock

图3（b）垂向向上冲击弹簧变形Fig.3（b）The deform of the springs to the upward-shock

图4（a）垂向向下冲击响应谱Fig.4（a）The response spectrum to the downward-shock

图4（b）垂向向下冲击弹簧变形Fig.4（b）The deform of the springs to the downward-shock

图5（a）横向冲击响应谱Fig.5（a）The response spectrum to the laterally-shock

图5（b）横向冲击弹簧变形Fig.5（b）The deform of the springs to the laterally-shock

设冲击隔离器的加工精度与装配间隙均为理想状态，设舰船的最大摇摆幅度为－20～20°，以上台体与下台体的相对转角为优化目标，以上弹簧的预紧力Fs和下弹簧的预紧力Fx为设计变量，将设计过程中阻尼连杆的空间距离作为约束条件进行优化设计。经过多次迭代计算，最终确定下弹簧预紧力Fx为44N，上弹簧预紧力Fs为13N。图6 所示为半个摇摆周期内的角度变化。由图中可以看出，摇摆时上台体绕下台体的转角最大值为0.0092°，约33 角秒，满足激光惯导使用要求。

图6 摇摆时上台体与下台体的夹角变化Fig.6 The angle changes between the upplate and the base-plate during rolling

3 试验验证

在轻型冲击机上对6 连杆冲击隔离器抗冲击性能进行测试，冲击时使用与激光惯导等质量的模拟载荷，将冲击隔离器固定在冲击机的砧座上，如图7 所示。使用动态信号测试仪分别测试基础（砧座）的加速度及负载的加速度。垂向冲击时冲击锤从1.5m 高处落到砧板上，产生的激励加速度谱如图8（a）及所示，响应加速度谱如图8（b）所示。滤除频率500Hz以上的波形后，最大激励加速度值为350g，响应加速度值为42g，垂向冲击隔离效率为88%。

横向冲击时冲击锤从90°高度落下冲击砧座侧面，产生的激励加速度谱如图9（a）及所示，响应加速度谱如图9（b）所示。滤除频率500Hz 以上的波形后，最大激励加速度值为－230g，响应加速度值为－35g，横向冲击隔离效率为84.7%。另外,在横向隔离时产生了二次冲击，加速度值达到55g，经检查发现是

图7 冲击隔离器冲击试验Fig.7 Shock test for the Shock-isolator

图8 (a) 1 基础垂向激励谱Fig.8(a) The vertical Excitation spectrum of the base

图8 (b) 负载垂向响应谱Fig.8(b) The vertical response spectrum of the load

图9 (a) 2 基础横向激励谱Fig.9(a) The laterally Excitation spectrum of the base

图9 (b) 负载垂向响应谱Fig.9(b) The laterally response spectrum of the load

由于阻尼器在二次冲击行程中存在空回所致。

4 结论

本文设计的舰载激光惯导冲击隔离器结构合理，通过数值仿真方法得到弹簧及液压阻尼器设计参数，仿真分析表明其横向隔冲效率和横向隔冲效率均在80%以上，动姿态保持精态为33 角秒。最后经过冲击试验测得数据表明，隔冲效率与仿真分析基本一致，能满足舰载激光惯导的使用要求。

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