艦艇激光慣導沖擊隔離器技術研究?

肖 勝（海軍駐中南地區光電系統軍事代表室武漢430223）

艦艇激光慣導沖擊隔離器技術研究?

肖 勝
（海軍駐中南地區光電系統軍事代表室武漢430223）

沖擊隔離器除用于承載慣性測量組件，其主要作用是吸收消耗外界沖擊傳遞到設備上的能量，減小載荷安裝基面的振動強度，保證激光慣導的導航技術指標。論文對六連桿沖擊隔離器技術進行研究，該沖擊隔離器采用并聯平臺的機構形式。經過對沖擊隔離器進行建模、仿真分析及試驗驗證，結果表明該技術實現了艦艇激光慣導對沖擊隔離器的要求。

艦艇激光慣導；六連桿；沖擊隔離器

Class Num ber V249

1 引言

旋轉調制激光慣導核心器件為慣性測量組件（IMU），慣性測量組件中對振動（沖擊）最敏感的元件是三個環形激光陀螺。為耐受艦船自身武器發射、非接觸爆炸等非重復性的強烈沖擊，激光慣導慣性裝置需要承受三個方向的強烈沖擊，根據環形激光陀螺的環境適應性條件，激光陀螺要求外界對其的沖擊小于56g，因此需要通過慣性裝置沖擊隔離器將各種振動源衰減到低于56g的指標。沖擊隔離器除用于承載IMU組件外，其主要作用是吸收消耗外界沖擊傳遞到設備上的能量，減小載荷安裝基面的振動強度，隔離外界強烈沖擊對慣性測量組件的影響，并在沖擊后保證激光慣導的導航技術指標。

2 典型國外激光慣導沖擊隔離器

Sperry公司的MK49船用慣性導航系統（SINS）為北約標準慣性導航系統，為滿足STANAG 4141，BR3021MK 49等標準規定的艦載導航設備振動沖擊條件，Sperry研制了一型新型沖擊隔離器系統，該型沖擊隔離器采用由六根聯緩沖阻尼桿組成，阻尼桿隔振器采用定制設計的壓力-壓縮液體彈簧/減震器。硅油被壓縮后可以提供預載、彈力和阻尼力。通過改變內部參數，如減振支柱預載、彈簧與阻尼特性、需要的總沖程及支柱的幾何形狀，可以便控制減振系統的性能。

3 沖擊隔離器隔振技術研究

3.1 沖擊隔離器設計要求

為耐受艦船自身武器發射、非接觸爆炸等非重復性的強烈沖擊，按照GJB150A-2009的要求，慣性裝置三個方向的強烈沖擊，沖擊隔離器將各種振動刺激源衰減到低于56g的IMU使用環境要求。為了預留一個合理的安全系數，選擇設計目標為40g，作為IMU經受的最大可允許的級別。

3.2 沖擊隔離器組成

沖擊隔離器采用并聯平臺機構形式，通過六條支鏈的阻尼連桿（簡稱六連桿）的共同作用來減小沖擊影響。與傳統的隔離器相比，其具有以下優點［1~3］：

1）采用多條支鏈并聯支撐，沖擊隔離器的剛度大，承載能力強；

2）并聯平臺的機構形式減小各個關節的誤差積累，重復精度高；

3）采用對稱形式，各條支鏈受力均衡，沖擊隔離器的協調性好；

4）采用并聯平臺機構形式使沖擊隔離器具有良好的六維減振效果。

沖擊隔離器由載荷安裝上下臺體、緩沖阻尼桿、球形鉸鏈等構成（圖1），其上下臺體用于安裝慣性測量組件與單軸旋轉機構的剛性集成體，最終通過球形鉸鏈和緩沖阻尼桿與設備法蘭固聯。

沖擊隔離器采用并聯平臺的機構形式，通過六連桿的位移變形能力，來儲存吸收沖擊過程中的沖擊能量。彈性阻尼器采用內置式隔振結構設計，其布局為上下對稱形式，使其具有良好的防沖擊特性。

阻尼連桿采用液壓阻尼-彈簧組合式減震器。彈簧被壓縮以提供預載及彈力，硅油液壓阻尼器提供阻尼力，減振彈簧、液壓阻尼器集成在圓柱支撐桿中。減振阻尼連桿設內限位機構，滑動端采用高精度直線軸承，沖擊結束后，在預緊彈簧的作用下，保證阻尼連桿總長度自動回復到沖擊前的平衡位置，且復位誤差小于0.01mm，從而保證緩沖隔離器的恢復精度要求。

根據沖擊隔離器的使用要求，需要解決并聯機構的動力學分配和彈性阻尼器的設計兩個問題。這兩個問題是相互影響、相互制約的，需要多次計算反復迭代來解決。設計沖擊隔離器擬采用的步驟為：

1）根據主要戰術技術指標對體積要求，計算沖擊隔離器的機構參數，分析沖擊隔離器的動態特性。

2）根據艦艇激光慣導的抗沖擊要求，預定隔振衰減系數計算載荷安裝基面的加速度，分析各支鏈的彈性阻尼器受力情況。

3）結合沖擊隔離器的動態特性，估算彈性阻尼器的剛度系數；采用Ansys及Adams仿真工具分析、評價沖擊隔離器的抗沖擊性能。

4 沖擊隔離器仿真分析

4.1 沖擊隔離器動力學模型分析

根據沖擊隔離器六連桿的結構特點，將沖擊隔離器分為三組機構，每組機構簡化模型如圖2所示。

該模型由兩個對稱夾角a的阻尼桿構成，桿的阻尼系數為C，剛度為k，負載質量為m，根據輕型沖擊機的特點，按照給定的沖擊譜，沖擊隔離器中心點由O點運動到O′點。

根據關聯結構尺寸，可以得到：

式中，Z可以作為仿真的輸入值，即為激光慣導沖擊譜曲線，y為負載的相對運動值，通過優化阻尼常數C及彈簧剛度k值，在Matlab環境下，可以得出傾角45°情況下，沖擊隔離器的不同阻尼及彈簧剛度的設計參數值，其結果如表一所示。該設計參數可作為阻尼桿的設計各參數選型的重要依據。

表1 傾斜角為45°沖擊隔離器設計參數值

4.2 沖擊隔離器ADAMS環境下仿真分析

利用Pro/EWildfire2.0軟件對沖擊隔離器進行精確的三維實體模型繪制，然后通過Pro/E與AD?AMS的接口程序Mechanic/Pro（簡稱M/Pro）進行剛體的定義和約束的施加，沖擊隔離器的幾何模型建立后，對幾何模型施加運動學約束、驅動約束、外力或外力矩等物理模型要素，便可得到表達系統力學特性的物理模型。

按照激光陀螺慣性導航系統抗沖擊要求中隔離支撐慣導設備沖擊設計譜，對某型沖擊隔離器整體模型采用Adams仿真分析軟件，激光慣導垂向和橫向沖擊響應譜見圖4、5。

該圖表明，采用本技術，IMU所受最大加速度約為32g，滿足艦艇激光慣導設備沖擊隔離器的設計要求。

5 沖擊隔離器試驗驗證

為了進一步驗證該型沖擊隔離器的設計效果，對該型沖擊隔離器按照GJB 150《軍用設備環境試驗方法》中規定的沖擊試驗方法進行了三個方向的沖積試驗，同時在上臺面對沖擊后的加速度值進行采集，圖6結果是錘頭從1.5m落差高度沖擊，沖擊隔離器上臺體加速度響應曲線。

從圖6可以看出，擺錘造成的沖擊經過沖擊隔離器后，各種振動源衰減到36g，低于56g的指標要求。

6 結語

通過仿真分析及沖擊試驗表明，激光慣導沖擊隔離器采用并聯平臺機構形式，通過六連桿的共同作用來減小沖擊影響，有效地隔離外界強烈沖擊對慣性測量組件的影響，滿足了艦艇激光慣導對沖擊隔離器的要求。

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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

肖勝，男，博士，工程師，研究方向：作戰指控、導航系統。