激光捷聯慣組減振系統設計計算及試驗研究

楊朋軍，黃金威，李 良

(西安航天精密機電研究所 西安 710100)

激光捷聯慣組減振系統設計計算及試驗研究

楊朋軍，黃金威，李 良

(西安航天精密機電研究所 西安 710100)

以某型號激光捷聯慣組減振系統為設計對象,詳細論述了激光捷聯慣組減振系統的設計過程，并進行了相關試驗驗證，結果表明理論計算和試驗結果比較一致。研究結果對慣性系統減振系統的設計具有一定的參考意義。

減振系統；設計計算；試驗

0 引言

激光捷聯慣組作為慣性導航系統核心部件，其工作環境的穩定性直接關系著導彈的命中精度。由于新型號武器系統的力學環境愈加惡劣，尤其就振動而言，其頻率范圍之寬、加速度之大，足以使儀器設備的結構達到應力破壞狀態，因此，研究激光捷聯慣組振動保護問題，對于提高慣組的抗振動、大過載、強沖擊的能力有重要的意義[1]。

某型號要求帶減振器的慣組繞三個軸的角運動頻率特性在f≤45Hz范圍內不允許有諧振峰，且慣組須承受48g大過載、120g/4ms半正弦沖擊惡劣力學條件等。為滿足以上苛刻環境條件，本文對該型號慣組的減振器設計過程及試驗驗證過程進行了詳細論述。

1 減振器設計計算

為適應慣組環境要求，保證慣組動態精度，慣組減振設計著重考慮了減振器對外界振動激勵的衰減效果，從而為慣組被減振部分提供良好的工作環境。為保證慣組在外界三個方向振動激勵下其一階振動頻率、變形和減振效果一致，提高減振性能，增加可靠性，慣組減振系統采用三向減振器減振方式，即采用四個三向減振器繞慣組X軸對稱布置減振方式。這種減振方式的優點是慣組三向振動激勵響應頻率基本一致，支撐剛度較高，對振動激勵的衰減效果很好。慣組減振器方案簡圖如圖1所示。

圖1 慣組減振器結構圖Fig.1 Damper structure of IMU

1.1 動態頻率、幅值特性的分析計算

對于慣組本體減振系統，其一階線共振頻率和一階角共振頻率之間存在以下近似比例關系

(1)

式中：a為線振動頻率和角振動頻率的比例關系；ω為系統繞X、Y、Z某個軸的角共振頻率；f為沿相應軸的線共振頻率；J為慣組被減振部分繞X、Y、Z某個軸的轉動慣量，其中Jx=0.21kg·m2，Jy=0.19kg·m2，Jz=0.19kg·m2；m為慣組被減振部分的質量，m=19.8kg；L1～L4分別為四支減振器分別到慣組中心軸的距離，L1～L4均為124mm。

將上述已知條件代入式(1)可得：

ax=1.21，ay=1.27，az=1.27，若要滿足角振動頻率大于45Hz，則慣組減振系統線振動頻率需滿足如下：

fx≥37.4Hz，fy、z≥35.5Hz

由于激光陀螺對高頻振動激勵量級要求非常苛刻，所以采用阻尼比較小的減振器對激光陀螺有利;由于阻尼橡膠在高頻減振主要是彈性起作用，所以減振器剛度盡可能低對激光陀螺也是比較有利的，而且，減振器頻率越低，減振器的緩沖效果越好。但是，考慮到對慣組動態安裝精度和過載、緩沖距離的要求，減振器的一階諧振頻率又不能太低，必須具有一定的剛度，以降低角振動幅度和提高角振動頻率，同時減小慣組減振器過載和沖擊條件下的變形量。綜合以上因素，確定減振器共振頻率f=45Hz、共振放大倍數T=2.5[2]。

1.2 減振器剛度分析計算[3]

減振系統共振頻率fn=45Hz、共振放大倍數T=2.5，可得減振系統總動剛度

K=1.51×106(N/m)

減振器總靜剛度

Kj=7.6×105(N/m)

1.3 減振器過載環境下分析計算

過載情況下，慣組過載位移就是減振系統的變形量δ，亦即過載力與減振系統靜剛度之比值。

X向過載時變形量

δx=13mg/Kj=3.46mm

由于慣組在大梁上是斜45°安裝，因此Y、Z向過載時變形量

δy、z=48mgx(cos45°)/Kj=8.7mm

由此可以看出，慣組使用線振動頻率為45Hz的減振器時，其X向過載變形量較小，遠小于減振柱極限位移，因此可以在慣組減振系統X向不設計過載保護，相對某平臺系統，可以簡化減振系統上連接件的結構形式。Y、Z向過載時變形較大,為加強在過載條件下減振柱的安全設計，須在減振系統Y、Z向分別加裝緩沖墊(其每向剛度與減振系統一致)，該緩沖墊距離上連接件4mm間隙，即慣組在Y、Z向過載時，減振柱壓縮4mm后，緩沖墊發生作用，此時減振系統剛度增大，保證慣組過載位移小于8.7mm。

1.4 減振器沖擊環境下分析計算[4]

慣組本體沖擊力學條件為120g/4ms的半正弦波沖擊，可以看作一個激勵加速度幅值為120g，周期為8ms(頻率為250π),持續時間為4ms的正弦振動激勵。慣組通過安裝環安裝在彈體發射大梁上，慣組被減振部分通過4個減振器與安裝環相連。由于臺體剛度遠遠大于減振器剛度，考慮沖擊問題時可將它們視為剛體，則在沖擊環境條件下，慣組被減振部分運動方程為

(2)

式中：x為慣組被減振部分相對于載體的位移；c為減振系統阻尼系數，c=2ξmω，ω為系統的共振頻率，阻尼系數ξ=0.22，得c=2389.5(N·s)/m；k為減振系統總剛度，k=1.51×106N/m；G為激振加速度，G=120g；p為激振頻率，p=250π。

(3)

其中:

(4)

將已知條件代入上述公式，在MATLAB可得慣組的沖擊位移曲線，如圖2所示。

圖2 慣組沖擊位移響應曲線Fig.2 Shock displacement curves of IMU

從圖2可以看出，慣組在沖擊力學條件為120g/4ms的半正弦波沖擊下，其最大位移約為5.7mm，小于減振柱的極限位移，可以認為減振器在沖擊條件下，減振器處于彈性范圍內，減振器不會因為沖擊條件而損壞。

2 減振器試驗驗證[5]

2.1 減振器減振柱拉、壓試驗

為了確定減振柱在大變形下是否破壞，對減振器減振柱進行了拉伸、壓縮變形試驗，以觀察其剛度變化趨勢。減振柱的拉、壓應力—變形曲線如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出,減振柱在拉/壓8mm變形范圍內，其壓縮、拉伸力與變形的關系基本是線性的，說明減振器的減振柱能夠適應48g的過載條件，不會破壞。

圖3 減振柱拉伸曲線Fig.3 Tensile curve of shock absorber

圖4 減振柱壓縮試驗曲線Fig.4 Compress curve of shock absorber

2.2 慣組隨機振動試驗

慣組隨機振動試驗為主動段和再入段兩種量級和譜形,均為20～2000Hz內的寬頻激勵。振動試驗數據如表1所示。

表1 慣組振動試驗結果

從表1可以看出，慣組減振器三向共振頻率基本一致，滿足三向等剛度的設計要求，減振器衰減率超過60%，說明慣組三向減振器性能良好，能為慣組系統提供良好的工作環境。

2.3 慣組沖擊試驗

慣組沖擊試驗結果如表2所示。

表2 慣組本體沖擊試驗結果

從表2可以看出，減振器對沖擊載荷的緩沖效果非常好，試驗后觀察減振器無破壞現象，證明慣組減振器能夠適應沖擊條件。

2.4 慣組其他試驗

減振器隨慣組進行角振動試驗結果表明，減振器角振動頻率均大于45Hz。另外慣組還進行了加速度、可靠性增長等試驗。試驗結果證明減振器的強度滿足可靠性要求，試驗后減振器無損傷和破壞，減振器有良好的減振緩沖效果，能夠滿足慣組系統對減振器抗力學環境的要求，為慣組提供一個良好的工作環境。

3 結論

本文以某型號激光慣組減振系統為設計對象,詳細論述了激光捷聯慣組減振系統的設計過程，并進行了相關試驗研究，結果表明理論計算和試驗結果比較一致。本文研究結果對慣性系統及其他相關型號減振系統設計具有一定的參考意義。

[1] 張樹俠,孫靜.捷聯式慣性導航系統[M].北京：國防工業出版社,1992.

[2] 戴德沛.阻尼技術的工程應用[M].北京：清華大學出版社,1991.

[3] 楊朋軍,雷志學,李良,楊瑞超.激光捷聯慣組靜、動態安裝精度理論計算分析[J].導航定位與授時.2015,2(5):1-4.

[4] 王佳民,裴聽國.慣性平臺新型金屬橡膠減振器理論與實驗研究[J].宇航學報.2003,24(1):92-96.

[5] 楊朋軍.激光捷聯慣組結構設計研制總結報告[R].中國航天科技集團公司第九研究院第十六研究所,2011.

Design Calculation and Experimental Study for Vibration Reduction System of Laser Strapdown IMU

YANG Peng-jun,HUANG Jin-wei,LI Liang

(Xi’an Aerospace Precision Electromechanical Institute, Xi’an 710100,China)

The design of vibration reduction system of a laser strapdown IMU is described in detail.The design process of the laser strapdown IMU is described and the experimental study is also carried out.The results show that the theoretical calculation is in agreement with the experimental results.The research results of this paper have some reference value for the vibration reduction design of inertial system.

Vibration system；Design calculation；Test

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.013

2015-11-01；

2015-12-14。

楊朋軍(1979-)，男，碩士，高級工程師，從事精密儀器與機械分析與設計。E-mail：abcyangpengjun@126.com

TH113

A

2095-8110(2016)04-0070-04