机载光电成像设备减振系统仿真及试验

姜伟伟，徐治洲，任 戈

(1.中国科学院 光电技术研究所，成都610209；2.中国科学院 光束控制重点实验室，成都610209)

机载光电成像设备减振系统仿真及试验

姜伟伟1，2，徐治洲1，2，任 戈1，2

(1.中国科学院 光电技术研究所，成都610209；2.中国科学院 光束控制重点实验室，成都610209)

一般的载机都存在宽频带、大幅值的随机振动，为保证设备安全及设备的成像质量，需要对设备加装减振系统。在对减振系统进行理论分析的基础上，针对光电成像设备的具体结构特点，结合载机的挂装空间位置要求，设计八点支撑的减振系统，对该减振系统进行仿真分析，并结合具体的设备进行试验测试。结果表明仿真分析和试验测试的谐振点频率值、最大振动传递率差异在2.5%～4.5%之内，且二者设备响应曲线走势基本一致，证明该减振系统的仿真分析方法是合理可行的。

振动与波；光电设备；机载；减振系统

机载光电成像设备是安装在飞机上拍摄地表景物来获取地表或大气层信息的装置，该类设备可用于国土资源勘查、环境监测、农业普查、灾情查看等相关领域。因此，该类设备在科学研究和生产生活中都起着非常重要的作用。

由于飞机发动机、机体与外界大气作用等因素的影响，一般的飞机载体都存在宽频带、大幅值的随机振动，如此振动环境会对光电设备的成像造成严重的影响，严重时甚至振坏设备。因此，为保证设备安全及设备的成像质量，需要对设备加装减振系统[1，2]。

被动减振系统装置结构简单、易于实现、可靠性高、经济性好，且目前大多数机床、电子设备、车辆均采用被动减振形式，故采用被动减振形式。

1 被动减振原理

建立被动减振系统的模型如图1所示[3，4]。

如图1所示，载体振动方程为xH=Hsin(ωt)，减振系统刚度为k，减振系统的阻尼系数为c，工作设备质量为m，则对工作设备列动力学微分方程如下

根据已知条件公式（1）可转化为

求解微分方程（2），得

图1 减振系统模型

随着时间t的增大，x1(t)趋于0，所以该项不予考虑。

x2(t)表示该微分方程（2）的稳态解，B表示该减振系统振幅的振动传递放大率，如下

根据式（4）得到B的响应曲线如图2所示。

图2 减振后工作设备稳态响应的幅频特性曲线

如图2所示的减振幅频特性曲线可知：

（1）随着频率比z的升高，设备振幅振动传递放大率B逐渐增大，当z=1时，设备振动传递率B达到最大，之后随着z的上升，B值开始减小，当时，B=1，之后随着z的升高，B值一直减小；

基于以上减振理论分析，针对具体的需减振设备，结合设备工作的振动环境设计恰当的谐振频率值，据此选择刚度、阻尼合适的减振器。

2 仿真分析

2.1 光电设备减振器结构布置

针对光电成像设备结构外形特点，结合载机的挂装位置要求，设计八点支撑的减振系统，如图3所示。

图3 减振器布置结构示意图

图3中序号1—8表示减振器（每个减振器以三根正交的弹簧表示），图中正方形表示光电成像设备，减振器一端连接光电设备一端固定连接在载机上。

2.2 减振系统虚拟样机建模

依据实物对设备建立三维减振模型如图4所示[5]。

图4 光电设备减振器布置三维示意图

如图4所示，八个减振器布置在设备的八个顶点方向上，减振器一端与光电设备的侧板连接，另一端固定在载机上（机载图中未画出）。减振器选用三向等刚度的JW型碗式橡胶—金属减振器，该减震器结构紧凑，质量小，安装尺寸低，且该减振器具有防冲凸缘，可实现任意方向的振动隔离，能承受较大的冲击加速度，载机空间紧凑且冲击较大，因此广泛应用于航空无线电仪器、仪表和雷达等的防振、冲击系统中。

根据设备实物外形尺寸及质量信息，结合减振器参数在载机上的安装位置信息在结构动力学仿真软件MSC ADAMS中建立减振系统三维虚拟样机如图5所示。

图5所示光电设备质量18.6 kg，减振器一边连接光电设备，一边连接加载框架，使用三向等刚度的Bushing（衬套）单元模拟，八个减振器参数相同，依据减振器生产厂家提供的减振器的参数，设置刚度为k=55 000 N/m，设置阻尼比为c0=0.12。加载框架为仿真分析时加载加速度的结构（为了加载加速度方便而虚拟的结构，实际的设备中无此结构），该结构将加速度通过减振器传递到光电设备。

图5 光电设备减振系统虚拟样机

2.3 仿真分析

2.3.1 振动扫频加载曲线

针对载机类型和设备在载机的挂装位置，依据GJB150-1986文件，对该机载光电设备加载振动谱曲线如图6所示。

图6所示横轴为频率（单位：Hz），纵轴为加速度值（单位：g）。试验扫频谱段为5～500 Hz，各个频率段分别为：5～14 Hz为定振幅扫频，幅值为0.001 27 m；14～23 Hz为定加速度1 g扫频；23～52 Hz为定振幅扫频，幅值为0.000 455 m；52～500 Hz为定加速度5 g扫频。

对图5所示的加载框架x、y、z三方向均加载图6所示的加速度—频率曲线，下节给出仿真结果。

2.3.2 x、y、z方向仿真结果

分别对加载框架的x、y、z三方向加载如图6所示的加速度—频率曲线，得到光电设备的响应曲线如图7所示。

图7中实线为加载框架的加载曲线（与图6相同），虚线为光电设备的响应曲线，设G=10 m/s2

（1）图7中，随着加载频率的升高设备响应加速度逐渐增大，当达到减振系统谐振频率时，设备响应值达到最大，此后随着加载频率的升高，设备响应逐渐减小（与第2节中的理论分析一致）；

（2）图7（a）中减振系统x方向的谐振频率为26.9 Hz，则x方向最大的振动传递放大率为（谐振点设备响应值和加载值之比）；

（3）图7（b）中减振系统y方向的谐振频率为25.1 Hz，则y方向最大的振动传递放大率为

（4）图7（c）中减振系统z方向的谐振频率为28.6 Hz，则z方向最大的振动传递放大率为

图6 设备振动扫频试验加载曲线

图7 光电设备x、y、z方向加速度响应曲线

3 试验测试

将设备通过试验工装件固定连接在振动台上，设备坐标系与图5中所示坐标系一致，分别对x、y、z三方向加载图6所示的振动谱线，在设备上固接各自方向的加速度计采集设备的加速度信息[6]。

试验完成后，得到的测试结果如图8所示。图8 a中五条平行线分别为加载曲线（与图6相同）、报警线、停车线，另外一条曲线为设备的响应曲线，图8b、c中曲线示意与图8 a中相同。由试验测试结果可知：

（1）图8 a、b、c中，随着加载频率的升高设备响应加速度逐渐增大，当达到减振系统谐振频率时，设备响应值达到最大，此后随着加载频率的升高，设备响应逐渐减小；

图8 光电设备x、y、z方向加速度响应曲线

（2）图8a中减振系统x方向的谐振频率为27 Hz，则x方向最大的振动传递放大率为

βmaxx=（谐振点响应值和加载值之比）；

（3）图8b中减振系统y方向的谐振频率为24.5 Hz，则y方向最大的振动传递放大率为

（4）图8c中减振系统z方向的谐振频率为28 Hz，则z方向最大的振动传递放大率为

（5）图8中的设备响应曲线在360～380 Hz之间均出现了响应尖峰，此尖峰为试验工装件在此频率处发生谐振所致，与设备本身无关。

4 仿真分析和试验测试结果对比分析

为验证节3仿真分析的准确性，将仿真分析和试验测试得到的谐振频率点、振动最大传递率列于表1并计算其差值，如下表1所示。

表1 设备响应仿真结果和试验测试结果对比

表1中：左边第一列数据角标“仿”表示仿真数据，“试”表示试验测试数据；计算差值时以试验测试值为准。

由表1中仿真数据和试验测试数据的对比可知：

（1）谐振频率点相差在2.5%之内；

（2）最大振动传递率相差在4.5%之内。

除此之外，分别对比x、y、z三方向仿真分析设备响应曲线和试验测试设备响应曲线（图7和图8），二者曲线走势基本一致。

由以上分析和对比可知：仿真分析结果与试验测试结果基本一致，因此仿真分析方法是可行的、分析结果是可信的。

5 结语

减振系统对机载光电设备的成像质量及设备安全至关重要，减振系统的设计理论和分析方法直接关系到设备研制周期、成本及减振效果。本文在分析被动减振原理的基础上，对机载光电成像设备的减振系统进行了仿真分析，之后对具体设备进行振动扫频试验测试。试验结果表明仿真分析结果与试验测试结果基本一致，所以该仿真分析方法是可行的、分析结果是可信的。

因此，对减振系统进行仿真分析替代部分振动扫频试验测试，即可减少研制成本，又可缩短研制周期，该减振系统的仿真分析方法可广泛应用于其它减振系统设计中。

[1]甘至宏.光电吊舱内框架减振系统设计[J].光学精密工程，2010，18（9）：2036-2043.

[2]董 斌，丁亚林，田海英，等.新型航空光学遥感器减振结构设计[J].光学精密工程，2008，16（12）：2454-2459.

[3]庄表中.随机振动入门[M].北京：科学出版社，1981，20-25.

[4]振动计算与减振设计组.振动计算与减振设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1976，210-211.

[5]高 旭，曾国英.螺栓法兰连接结构的振动仿真分析[J].噪声与振动控制，2010，3：38-40.

[6]廖美颖，上官文斌.某轻卡驾驶室振动测试分析与控制[J].噪声与振动控制，2012，5：83-87.

Simulation and Experiment Validation of the VibrationAbsorbing System of anAirborne Photoelectric Imaging Equipment

JIANG Wei-wei1，2,XU Zhi-zhou1，2,RENGe1，2

(1.Institute of Optics and Electronics of ChineseAcademy of Sciences,Chengdu 610209,China; 2.Key Laboratory of Beam Control,ChineseAcademy of Sciences,Chengdu 610209,China)

Generally,there exist random vibrations with large magnitudes and wide frequency band in airborne photoelectric imaging equipments.In order to ensure the quality of imaging and the safety of the equipments,vibration isolator systems are necessary.In this paper,a vibration absorbing system is analyzed theoretically.Considering the structural characteristics of the equipment and the demand of the spatial position of the suspension system,an eight-point supported vibration absorption system is designed and simulated.Results of simulation and experimental verification are in good agreement.

vibration and wave;photoelectric-equipment;airborne;vibration absorbing system

1006-1355(2014)03-0186-04

TP18

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.03.039

2013-01-14

姜伟伟（1984-），男，山东人，博士，助理研究员，主要从事光电仪器结构设计研究。

徐治洲（1977-），男，四川人，硕士，助理研究员，主要从事机载光电设备研制。

通讯作者：任 戈（1964-），男，四川人，研究员，主要从事光电设备总体技术研究。

E-mail:jdw094698@163.com