舰艇激光惯导冲击隔离器技术研究∗

肖 胜（海军驻中南地区光电系统军事代表室武汉430223）

舰艇激光惯导冲击隔离器技术研究∗

肖 胜
（海军驻中南地区光电系统军事代表室武汉430223）

冲击隔离器除用于承载惯性测量组件，其主要作用是吸收消耗外界冲击传递到设备上的能量，减小载荷安装基面的振动强度，保证激光惯导的导航技术指标。论文对六连杆冲击隔离器技术进行研究，该冲击隔离器采用并联平台的机构形式。经过对冲击隔离器进行建模、仿真分析及试验验证，结果表明该技术实现了舰艇激光惯导对冲击隔离器的要求。

舰艇激光惯导；六连杆；冲击隔离器

Class Num ber V249

1 引言

旋转调制激光惯导核心器件为惯性测量组件（IMU），惯性测量组件中对振动（冲击）最敏感的元件是三个环形激光陀螺。为耐受舰船自身武器发射、非接触爆炸等非重复性的强烈冲击，激光惯导惯性装置需要承受三个方向的强烈冲击，根据环形激光陀螺的环境适应性条件，激光陀螺要求外界对其的冲击小于56g，因此需要通过惯性装置冲击隔离器将各种振动源衰减到低于56g的指标。冲击隔离器除用于承载IMU组件外，其主要作用是吸收消耗外界冲击传递到设备上的能量，减小载荷安装基面的振动强度，隔离外界强烈冲击对惯性测量组件的影响，并在冲击后保证激光惯导的导航技术指标。

2 典型国外激光惯导冲击隔离器

Sperry公司的MK49船用惯性导航系统（SINS）为北约标准惯性导航系统，为满足STANAG 4141，BR3021MK 49等标准规定的舰载导航设备振动冲击条件，Sperry研制了一型新型冲击隔离器系统，该型冲击隔离器采用由六根联缓冲阻尼杆组成，阻尼杆隔振器采用定制设计的压力-压缩液体弹簧/减震器。硅油被压缩后可以提供预载、弹力和阻尼力。通过改变内部参数，如减振支柱预载、弹簧与阻尼特性、需要的总冲程及支柱的几何形状，可以便控制减振系统的性能。

3 冲击隔离器隔振技术研究

3.1 冲击隔离器设计要求

为耐受舰船自身武器发射、非接触爆炸等非重复性的强烈冲击，按照GJB150A-2009的要求，惯性装置三个方向的强烈冲击，冲击隔离器将各种振动刺激源衰减到低于56g的IMU使用环境要求。为了预留一个合理的安全系数，选择设计目标为40g，作为IMU经受的最大可允许的级别。

3.2 冲击隔离器组成

冲击隔离器采用并联平台机构形式，通过六条支链的阻尼连杆（简称六连杆）的共同作用来减小冲击影响。与传统的隔离器相比，其具有以下优点［1~3］：

1）采用多条支链并联支撑，冲击隔离器的刚度大，承载能力强；

2）并联平台的机构形式减小各个关节的误差积累，重复精度高；

3）采用对称形式，各条支链受力均衡，冲击隔离器的协调性好；

4）采用并联平台机构形式使冲击隔离器具有良好的六维减振效果。

冲击隔离器由载荷安装上下台体、缓冲阻尼杆、球形铰链等构成（图1），其上下台体用于安装惯性测量组件与单轴旋转机构的刚性集成体，最终通过球形铰链和缓冲阻尼杆与设备法兰固联。

冲击隔离器采用并联平台的机构形式，通过六连杆的位移变形能力，来储存吸收冲击过程中的冲击能量。弹性阻尼器采用内置式隔振结构设计，其布局为上下对称形式，使其具有良好的防冲击特性。

阻尼连杆采用液压阻尼-弹簧组合式减震器。弹簧被压缩以提供预载及弹力，硅油液压阻尼器提供阻尼力，减振弹簧、液压阻尼器集成在圆柱支撑杆中。减振阻尼连杆设内限位机构，滑动端采用高精度直线轴承，冲击结束后，在预紧弹簧的作用下，保证阻尼连杆总长度自动回复到冲击前的平衡位置，且复位误差小于0.01mm，从而保证缓冲隔离器的恢复精度要求。

根据冲击隔离器的使用要求，需要解决并联机构的动力学分配和弹性阻尼器的设计两个问题。这两个问题是相互影响、相互制约的，需要多次计算反复迭代来解决。设计冲击隔离器拟采用的步骤为：

1）根据主要战术技术指标对体积要求，计算冲击隔离器的机构参数，分析冲击隔离器的动态特性。

2）根据舰艇激光惯导的抗冲击要求，预定隔振衰减系数计算载荷安装基面的加速度，分析各支链的弹性阻尼器受力情况。

3）结合冲击隔离器的动态特性，估算弹性阻尼器的刚度系数；采用Ansys及Adams仿真工具分析、评价冲击隔离器的抗冲击性能。

4 冲击隔离器仿真分析

4.1 冲击隔离器动力学模型分析

根据冲击隔离器六连杆的结构特点，将冲击隔离器分为三组机构，每组机构简化模型如图2所示。

该模型由两个对称夹角a的阻尼杆构成，杆的阻尼系数为C，刚度为k，负载质量为m，根据轻型冲击机的特点，按照给定的冲击谱，冲击隔离器中心点由O点运动到O′点。

根据关联结构尺寸，可以得到：

式中，Z可以作为仿真的输入值，即为激光慣导冲击谱曲线，y为负载的相对运动值，通过优化阻尼常数C及弹簧刚度k值，在Matlab环境下，可以得出倾角45°情况下，冲击隔离器的不同阻尼及弹簧刚度的设计参数值，其结果如表一所示。该设计参数可作为阻尼杆的设计各参数选型的重要依据。

表1 倾斜角为45°冲击隔离器设计参数值

4.2 冲击隔离器ADAMS环境下仿真分析

利用Pro/EWildfire2.0软件对冲击隔离器进行精确的三维实体模型绘制，然后通过Pro/E与AD⁃AMS的接口程序Mechanic/Pro（简称M/Pro）进行刚体的定义和约束的施加，冲击隔离器的几何模型建立后，对几何模型施加运动学约束、驱动约束、外力或外力矩等物理模型要素，便可得到表达系统力学特性的物理模型。

按照激光陀螺惯性导航系统抗冲击要求中隔离支撑惯导设备冲击设计谱，对某型冲击隔离器整体模型采用Adams仿真分析软件，激光慣导垂向和横向冲击响应谱见图4、5。

该图表明，采用本技术，IMU所受最大加速度约为32g，满足舰艇激光惯导设备冲击隔离器的设计要求。

5 冲击隔离器试验验证

为了进一步验证该型冲击隔离器的设计效果，对该型冲击隔离器按照GJB 150《军用设备环境试验方法》中规定的冲击试验方法进行了三个方向的冲积试验，同时在上台面对冲击后的加速度值进行采集，图6结果是锤头从1.5m落差高度冲击，冲击隔离器上台体加速度响应曲线。

从图6可以看出，摆锤造成的冲击经过冲击隔离器后，各种振动源衰减到36g，低于56g的指标要求。

6 结语

通过仿真分析及冲击试验表明，激光惯导冲击隔离器采用并联平台机构形式，通过六连杆的共同作用来减小冲击影响，有效地隔离外界强烈冲击对惯性测量组件的影响，满足了舰艇激光惯导对冲击隔离器的要求。

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Im pact Insolator Technology for RLG-SINSSystem

XIAO Sheng
（Navy Representative Office ofOptoelectronic System in Zhongnan Area，Wuhan 430223）

The impact insolator isused to carry the inertialmeasurementmodule，itsmain role is to absorb theexternal impact of the energy delivered to the device to reduce the load on the base surface of the vibration intensity，to ensure the navigation techni⁃cal indicators of RLG-SINSSystem.In this paper，the six-bar impact isolator technology is studied，the impact isolator adopts the parallelplatformmechanism.The simulation resultsshow thatthe technology achieves the requirementsof the impact isolator。

RLG-SINSsystem，six links，impact isolator

V249

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.012

2016年11月9日，

2016年12月13日

肖胜，男，博士，工程师，研究方向：作战指控、导航系统。