某电视导引头随机振动响应分析

2019-10-17王本国赵斌陶艾秀峰

中国设备工程 2019年19期

王本国，赵斌陶，艾秀峰

（西安应用光学研究所，陕西西安 710065）

在导弹的起落和飞行过程中，会受到环境噪声、冲击振动等动态力学载荷的影响，它们会通过导弹外壳和内部结构传递到电视导引头上，进而影响电视导引头的成像质量和可靠性，而冲击振动对其结构和性能的影响是最为致命的。文章采用有限元理论，对某电视成像导引头结构建模仿真，在此基础上进行随机振动响应分析，通过应力应变分布的计算，评估导引头的环境适应能力。

1 理论基础及分析方法

1.1 模态分析方法

模态分析是一切动力学分析的基础，谐响应分析、随机振动分析、响应谱分析等都是在模态分析的基础上进行的，模态分析可以求得结构体各阶固有频率及其振型。导引头结构体是由无限多自由度的弹性体组成的，运用有限元分析方法中的弹性力学理论，将导引头结构分为多个有限自由度的线性系统，通过运动微分方程可对此线性系统在外介载荷作用下求得固有频率及其各阶振型，进一步求得随机振动频谱响应。

2 导引头有限元模型

2.1 有限元模型描述

模态分析前，将导引头光学组件和电子舱组件简化为质量点，对外壳、内外框架、驱动电机、角接触轴承、电子码盘等主要结构件和元器件进行网格划分。

2.2 主要材料属性

组成导引头结构的材料比较多，结构件采用材料有合结钢（45 钢）、硬铝（AL12）、黄铜（H62），光学件采用材料有硫化锌硅（Si）、（ZnS）、电路板（PCB）及硅橡胶，具体属性值见表1。

2.3 载荷及边界条件

该电视导引头结构在起落和空中飞行时，主要受到三个方向上的载荷冲击，分别为X 向（轴线方向）、Y 向（法线方向，即垂直与轴线）和Z 向（横向），在运动过程中并没有转动激励，因此横滚向载荷干扰可以忽略，我们只对X 向、Y 向和Z 向进行分析。

表1 主要材料属性

导引头飞行时产生的振动通过本体与弹体安装面传递至导引头上，所以在本体与弹体安装面上施加随机振动载荷，载荷曲线如图1 所示，方向加载在为X、Y、Z 三个方向。冲击类型为冲击响应谱冲击，条件如图2 和图3 所示。

图1 随机振动功率谱

图2 X 向冲击条件

图3 Y 向和Z 向冲击条件

3 仿真结果

导弹在飞行过程中是一个自由体，而导引头只是弹体的一个舱段，实际飞行过程中，导引头后端被限制处于约束状态，所以在进行力学分析时，应该在导引头本体与弹体接触后端面上实加约束。我们假设驱动电机峰值力矩满足条件，伺服控制系统保持零位。使用ANSYS Workbench 有限元分析软件进行仿真分析。随机振动仿真结果在X、Y、Z 三向同时加载，导引头结构的应力响应如图4 所示。

图4 导引头结构的应力响应图

图5 导引头结构的应力响应图

图6 小轴结构的应力响应图

对导引头结构进行力学响应分析时，主要关心的是整体结构的应力应变分布。其中，最大应力发生在本体中间的支柱根本，为139.09MPa（3σ），应力值远小于本体零件材料2A12 T4 的屈服极限255MPa，零件不会发生断裂和塑性变形，也可以经受长时间随机振动具有较好的抵抗疲劳能力。在X、Y、Z 三向同时加载，导引头结构的应力响应如图5 所示。

其中，最大应力发生在连接框架的小轴上，应力值均小于了轴材料1Cr17Ni2 的屈服极限1080MPa，设计在属于局部应力集中处加了较大倒圆角，因此这些局部的应力会大幅下降。

将轴的应力云图放大后，如图6 所示，可见，除去极小的尖角处以外，轴的应力全部在屈服极限930MPa 以内，小轴可以同时承受三个方向大量级的冲击。