一種機載多軸隔振系統及優化方法與流程
2023-05-08 12:11:56
本發明涉及一種新型機載多軸隔振系統，屬於結構振動控制技術領域。
背景技術：
現今，航空產業蓬勃發展，無論民用或軍用，利用搭載光電載荷的飛機進行大範圍、長時間的巡航偵察已成為主要的航空活動之一。光電載荷的穩定精度和成像質量直接影響著獲取的信息量，而其受到的振動是制約上述兩者的最主要因素。
機載光電載荷主要受到內部振源和外部振源的影響。前者包括光學系統調焦和變倍機構以及飛機自身的轉子及結構撓性等引起的振動，後者主要包括氣動載荷所引起的震顫。這些振動會通過飛機結構傳遞到光電載荷，降低成像質量和跟蹤精度，嚴重時可能丟失目標。故需要對光電載荷設計專門的隔振裝置，將其與振源隔離，以提高光電載荷工作性能。
對於無人機來說，主要應用的減振產品為航空減振支座。在不影響視場的情況下，傳統減振器只能偏心布局於光電載荷上方。對於垂向振動，由於減振器布局的幾何中心過方位軸，減振效果尚佳；對於切向振動，系統重心在減振器幾何中心下方，會不可避免的產生角擾動，影響視軸穩定。對於經常變換視角、振動擾動情況複雜的機載光電載荷，使用這類產品難以滿足高質量成像的要求。
本發明提出一種基於Hexapod構型的機載多軸隔振系統及其優化方法，能較好地解決上述問題。機載多軸隔振系統包括安裝平臺、載荷平臺和六根沿圓周均布於平臺間的阻尼支杆。本發明的主要特點是以Hexapod自身的結構特性和阻尼支杆的物理特性對振動擾動進行隔離。當安裝平臺受到擾動時，各杆通過線性運動對振動進行隔離，保持載荷平臺的穩定。隔振系統的頻率特性與整體構型和阻尼支杆的剛度有關：構型決定前六階主模態頻率分散程度，支杆的剛度係數直接影響隔振系統最低模態頻率的大小。因此需要對構型和剛度係數進行設計，保證隔振系統的前六階主模態頻率在避開內、外部擾動頻率的同時減小頻率的分散度，以實現良好的隔振效果。因此，該隔振系統具備以下特點：可調整結構以改變自身頻率特性；可在隔離垂直向振動的同時具備抗剪切向和角振動擾動的能力；可根據載荷的大小和頻率要求進行隔振系統構型設計和阻尼支杆的技術參數設計；可根據飛機的空間要求對隔振系統的大小進行設計。因此，本發明能同時滿足提高航空隔振穩定精度和多機型適應兩方面的需求。
同時，普遍考察光電載荷相對飛機機架的位置關係、機架常見設計形式和多軸並聯隔振系統的構型，隔振系統的安裝布局空間通常需要考慮避讓出可能發生結構幹涉的位置(如機架結構中的斜梁式突出掛點等)。本發明提出一種優化方法並應用於機載多軸隔振系統的設計中，旨在以更完善的優化策略高效的解決隔振系統幾何構型設計與優化問題，使隔振系統的前六階主模態頻率在避開內、外部擾動頻率的同時減小頻率的分散度，以實現良好的隔振效果。這一優化方法避免了手動多次調整迭代的繁瑣，簡單快速的得到優化後的構型設計。
技術實現要素：
本發明的目的旨在提供一種基於Hexapod構型的機載多軸隔振系統及其優化方法，為航空光電載荷提供一個穩定的工作環境。
本發明為一種基於Hexapod構型的機載多軸隔振系統，它包括機械接口部分、減振機構部分及優化方法。位置連接關係為：機械接口部分通過關節軸承與減振機構部分相連。減振機構部分通過機械接口部分實現與機架的連接關係，作為中介對飛機結構傳至光電載荷的振動進行隔離。
所述機械接口部分包括：安裝平臺、載荷平臺和軸承支座。它們之間的位置連接關係是：安裝平臺與機架固定，位於下方的載荷平臺與光電載荷固定，根據光電載荷的尺寸與重心位置要求設計載荷平臺接口形式。每隻軸承支座通過4隻M4螺釘與平臺固定，以確定安裝角度和安裝位置。該安裝平臺和載荷平臺為LY12材料製造，根據機架和載荷的接口進行設計。安裝平臺根據安裝要求和機架的機械接口進行設計。載荷平臺根據光電載荷機械接口的形式可設計為環形或由用戶自主設計。該軸承支座為40Cr調製材料製造。
所述減振機構部分包括：六根阻尼支杆和支杆兩端的關節軸承。每根阻尼支杆包括：阻尼器和兩端的關節軸承接頭。它們之間的位置連接關係是：阻尼器通過兩端的接口與關節軸承接頭進行螺紋連接，可通過調整接頭在兩端的旋入深度對阻尼器在阻尼支杆長度範圍內的位置進行調整，並配以螺母和彈簧墊圈進行位置鎖定。該關節軸承可以承受徑向負荷、軸向負荷或徑向、軸向同時存在的聯合負荷，用於速度較低的擺動運動和低速旋轉。該關節軸承以雙面單三個衝點的形式嵌入關節軸承接頭。關節軸承接頭與軸承支座通過穿過軸承支座立面通孔和關節軸承內環的鉸制孔螺栓進行連接，實現關節軸承接頭相對軸承座的轉動和擺動。每根阻尼支杆均通過該連接關係分別與安裝平臺和載荷平臺相連，並與平臺平面成一定的設計角度，六桿以Hexapod構型分布在平臺的高度空間內，作為中介對由安裝平臺傳至載荷平臺的振動在六自由度方向上進行衰減，實現載荷平臺的穩定。該阻尼器型號是美國ITT Enidine公司的Wire Mesh Isolator金屬阻尼器，為市購產品，由伸杆、外殼和金屬阻尼材料組成，雙向受載。靜剛度、動剛度與阻尼比根據光電載荷的頻率要求和阻尼器的放大率進行設計。該關節軸承為自潤滑向心關節軸承，型號為SKF GE6C，是市購產品。該關節軸承接頭為40Cr調製材料製造，自主設計，接口尺寸根據阻尼器接口和關節軸承外環尺寸進行設計。
本發明的優化方法部分建立了避免空間位置幹涉的構型優化模型，旨在以更完善的優化策略高效的解決隔振系統幾何構型設計與優化問題，可以在短時間內得到一組同時滿足頻率要求和結構設計要求的多軸隔振系統構型參數，避免了手動迭代調整的繁瑣性。在頻率要求部分，以前六階主頻率分散度最小為優化目標，選擇方差為目標函數。在結構設計要求部分，考慮了多軸隔振系統的安裝布局空間受限，且須避讓出可能發生結構幹涉的位置(如機架結構中的斜梁式突出掛點等)的情況。優化方法為：以遺傳算法為優化工具對多軸隔振系統構型進行優化。因為光電載荷相關物理參數(質量，質心位置，轉動慣量)確定，設計變量是Hexapod構型多軸隔振系統幾何構型參數和阻尼器的統一剛度係數。幾何構型參數包括：安裝平臺軸承支座安裝鉸圓半徑、載荷平臺軸承支座安裝鉸圓半徑、兩平臺之間高度、安裝平臺一組相鄰軸承支座安裝鉸點對應圓心角和載荷平臺一組相鄰軸承支座安裝鉸點對應圓心角。通過對可能發生幹涉的器件進行數學建模的方法建立非線性約束，保證了優化結果的有效性。由此優化目標得到最優構型的幾何特徵為：各阻尼支杆與載荷平臺的夾角近似45度，兩平臺之間高度較小。
本發明的優點在於：
本發明結構簡單，阻尼器應用廣泛，技術成熟，可靠性高。
本發明構型變化豐富，適應性大。
本發明在隔離垂直向振動的同時具備抗剪切向和角振動擾動的能力，性能優於現有航空隔振支座。
本發明結構頻率可設計，避開內外部擾動頻率。
本發明隔振系統構型設計過程由程序計算優化得到，快速有效。
附圖說明
圖1是本發明的三視圖
圖2是本發明的簡化模型
圖3是本發明的阻尼支杆部分半剖平面圖
圖4是本發明的約束函數設計方法示意圖
圖5是本發明的優化方法流程示意圖
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的技術方案做進一步說明。
本發明提出了一種基於Hexapod構型的機載多軸隔振系統及其優化方法，為安裝的光電載荷提供一個穩定的工作環境，如圖1所示。它包括機械接口部分、減振機構部分及優化方法。位置連接關係為：如圖2和圖3所示，減振機構部分通過關節軸承10與機械接口部分相連。關節軸承接頭(定子)8和關節軸承接頭(動子)9通過關節軸承10和鉸制孔螺栓與軸承支座11連接，關節軸承10的內環與鉸制孔螺栓的光軸部分為過盈配合，實現關節軸承接頭(定子)8和關節軸承接頭(動子)9相對軸承支座11的轉動和擺動。通過以上的連接關係實現載荷平臺3相對安裝平臺1的六自由度運動，減振機構部分作為中介對飛機結構傳至光電載荷的振動進行隔離。
所述機械接口部分包括：安裝平臺1、載荷平臺3和軸承支座11。它們之間的位置連接關係是：安裝平臺1與機架固定，位於下方的載荷平臺3與光電載荷固定，根據光電載荷的尺寸與重心位置要求設計載荷平臺接口形式。每隻軸承支座11通過4隻M4螺釘與平臺固定，以確定安裝角度和安裝位置。該安裝平臺1和載荷平臺3為LY12材料製造，根據機架和載荷的接口進行設計。安裝平臺根據安裝要求和機架的機械接口進行設計。載荷平臺根據光電載荷機械接口的形式可設計為環形或由用戶自主設計。
如圖3所示，所述減振機構部分包括：阻尼支杆2(6根)和支杆兩端的關節軸承10。阻尼支杆2包括：阻尼器4、關節軸承接頭(定子)8和關節軸承接頭(動子)9。阻尼器4包括：伸杆5、金屬阻尼材料6和外殼7。它們之間的位置連接關係是：阻尼器4兩端設計有M6的螺紋接口，關節軸承接頭(定子)8和關節軸承接頭(動子)9在杆端加工有M6螺紋。關節軸承接頭(定子)8的螺紋端與外殼7底部的螺紋接口聯接，關節軸承接頭(動子)9的螺紋端與伸杆5的螺紋接口聯接，可通過調整關節軸承接頭(定子)8和關節軸承接頭(動子)9的旋入深度調整阻尼支杆2的整體長度和阻尼器4在整體長度範圍內的位置，並由彈簧墊圈和螺母鎖定。關節軸承接頭(定子)8和關節軸承接頭(動子)9的非螺紋端均嵌入關節軸承10，關節軸承10的外環與關節軸承接頭(定子)8和關節軸承接頭(動子)9的軸承嵌入端以雙面單三個衝點的形式固定。
本發明的優化方法流程為：首先，以機載多軸隔振系統構型參數為設計變量完成對多軸隔振系統的幾何建模，建模參數即為設計變量和光電載荷已知相關物理參數，得出前六階主模態頻率和方差，將方差函數作為遺傳算法的目標函數。其次，對可能與隔振系統中各阻尼支杆幹涉的飛機器件進行幾何建模，依次求解與可能發生幹涉的阻尼支杆的空間最小距離，將此函數作為遺傳算法的非線性約束函數，如圖4所示。然後，根據飛機總體設計要求，對設計變量進行上下界的設定。最後，總結出優化模型，以模態頻率分散度最小為優化目標，採用遺傳算法進行尋優，在分別對前六階主模態頻率的平均值和空間最小距離進行約束的情況下快速得到滿足條件的最優構型參數，如圖5所示。因此，每一次進行優化設計，只需要輸入幾何構型參數的上下界要求、前六階主模態頻率方差的數值要求以及與幹涉零件距離要求，即可在短時間內得到滿足所有條件的最優構型。
本發明工作過程為：當有直接幹擾(例如由機架橫向振動引起的橫向力)作用於安裝平臺1時，位於幹擾力方向一側的阻尼器4會發生變形並產生一個壓縮量，同時位於另一側的阻尼器4會發生變形並產生一個伸長量。兩側阻尼器會對光電載荷趨於幹擾方向的運動提供阻力，耗減運動能量。同理，當出現多個自由度方向的混合幹擾時，呈Hexapod構型的六隻阻尼器會發生相應的變形對幹擾進行減弱，同時通過關節軸承的作用實現對載荷的穩定。這樣機架通過安裝平臺1傳遞至載荷平臺3的幹擾就會大大衰減，從而滿足了高精密設備對安裝結構隔振性能的要求。