李全超，譚淞年，李 蕾，張洪偉

某紅外相機穩(wěn)定平臺框架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

李全超，譚淞年，李 蕾，張洪偉

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點實驗室，吉林 長春 130033）

針對某紅外相機穩(wěn)定平臺，設(shè)計了兩軸兩框架的結(jié)構(gòu)形式。對相機關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)件照準(zhǔn)架進(jìn)行了較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析研究。照準(zhǔn)架采用一體式半封閉結(jié)構(gòu)，提高了照準(zhǔn)架的自身結(jié)構(gòu)剛度，同時避免了大尺寸面的加工變形以及裝調(diào)問題。建立了照準(zhǔn)架的三維模型，并進(jìn)行了6重力、常溫和－20℃均勻溫降工況下的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析研究。分析結(jié)果顯示，照準(zhǔn)架的最大變形為0.706mm，最大應(yīng)力為47.33MPa；1階模態(tài)為53.2Hz，均滿足設(shè)計指標(biāo)。利用有限元軟件為紅外系統(tǒng)照準(zhǔn)架的設(shè)計可行性提供了理論依據(jù)。

紅外相機；穩(wěn)定平臺；照準(zhǔn)架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析

0 引言

作為航空偵察的主要方式之一，機載光電平臺在軍事和民用等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具有偵察、導(dǎo)航以及快速捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)運動目標(biāo)的功能[1]。隨著世界對軍事要求水平的不斷提高，對平臺的輕量化、跟蹤精度以及穩(wěn)定精度提出了更高的要求。為了解決上述問題獲得比較清晰的圖像，不斷引入了多種技術(shù)，諸如在平臺與載機連接之間加入減震措施和引入電子穩(wěn)像技術(shù)等手段[2]。此外除了補償措施，穩(wěn)定平臺框架自身的結(jié)構(gòu)性能對于獲得清晰的圖像也是至關(guān)重要的。鑒于復(fù)雜多變的航空環(huán)境，對穩(wěn)定平臺的外形尺寸以及重量均設(shè)定了嚴(yán)格的要求[3]。

本文主要為某紅外相機設(shè)計支撐框架結(jié)構(gòu)，外部支撐框架的結(jié)構(gòu)剛度和強度直接決定內(nèi)部相機的成像質(zhì)量。借助有限元分析軟件，對所設(shè)計的外部支撐框架照準(zhǔn)架進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，以此校驗其結(jié)構(gòu)剛度以及強度，為紅外相機支撐框架的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 照準(zhǔn)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

所涉及的紅外相機主要作方位與俯仰方向上的擺掃運動，為此設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)為兩軸兩框架形式，根據(jù)實際相機載荷的尺寸對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計，具體原理圖及三維圖見圖1。照準(zhǔn)架是實現(xiàn)相機俯仰-方位模式的關(guān)鍵支撐部件[4]。為了便于照準(zhǔn)架的安裝調(diào)試方便，將其設(shè)計為分體式結(jié)構(gòu)，由位于上端的方位電機座和照準(zhǔn)架組合而成來實現(xiàn)相機的擺掃運[5]。方位電機座與照準(zhǔn)架之間通過過渡軸，由銷釘和螺釘進(jìn)行連接。照準(zhǔn)架的剛度、強度以及熱穩(wěn)定性，均會直接影響到整機的剛度和轉(zhuǎn)動性能。

圖1 穩(wěn)定平臺

支撐組件的核心部件為照準(zhǔn)架，如圖2所示為設(shè)計的照準(zhǔn)架三維圖?？紤]到裝機要求，在保證照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)剛度的前提下要盡可能減小其外部尺寸和質(zhì)量。鑒于光學(xué)系統(tǒng)是一定的，需要在內(nèi)部相機支撐框架主鏡筒確定之后來確定照準(zhǔn)架外形。

圖2 照準(zhǔn)架三維圖

由于光學(xué)尺寸較大，不可避免的導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)尺寸的增大，通過照準(zhǔn)架的內(nèi)凹設(shè)計，將探測器的位置避開，使保護(hù)球罩的外形尺寸從1044mm降低到910mm，而球罩翹起部分嵌入到照準(zhǔn)架中，不影響外部尺寸。照準(zhǔn)架上端設(shè)計成一體式半封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加筋強化結(jié)構(gòu)剛度，避免了大尺寸面加工的變形與裝調(diào)問題，同時提高了照準(zhǔn)架的自身結(jié)構(gòu)強度。

照準(zhǔn)架借助與方位電機座的連接來實現(xiàn)±90°的方位擺掃運動。俯仰方向設(shè)計為雙力矩電機驅(qū)動模式，兩懸臂俯仰軸孔鑲嵌鈦合金（TC4）軸承套以安裝軸承。防尺外界環(huán)境的溫度變化造成軸承抱死，最終確定的照準(zhǔn)架外形尺寸為910mm×736mm×990mm。

2 照準(zhǔn)架的有限元分析

2.1 有限元分析理論

2.1.1 靜力學(xué)分析理論

在載荷作用下，彈性體內(nèi)部任意一點的應(yīng)力可通過6個應(yīng)力分量、、、、、來表示，其中、、代表正應(yīng)力；、、代表切應(yīng)力[6]。應(yīng)力分量矩陣()見下式：

同理，彈性體內(nèi)部任一點的應(yīng)變亦可通過6個應(yīng)變分量、、、、、來表示，其中、、代表正應(yīng)變；、、為剪應(yīng)變。應(yīng)變分量矩陣()見下式：

彈性體內(nèi)任一點的位移可通過直角坐標(biāo)系的3個分量、、表示，矩陣()為：

則位移和應(yīng)變之間的關(guān)系如下：

式中：()代表幾何矩陣；(e)代表單元節(jié)點位移矩陣。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如下式：

為材料的彈性模量，為材料的泊松比。則式(5)中的彈性矩陣()的表達(dá)式如下：

根據(jù)虛功原理，建立單元剛度方程如式(7)所示，它反映了單元節(jié)點力與位移之間的關(guān)系：

式中：(e)代表單元節(jié)點矩陣；(e)代表單元剛度矩陣。由各個單元剛度方程綜合得到整體剛度方程，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，得：

式中：()代表整體節(jié)點載荷矩陣；()代表整體剛度矩陣；()代表整體節(jié)點位移矩陣。通過方程(8)的求解，得到節(jié)點位移。根據(jù)節(jié)點位移，帶入到式(4)和式(6)中計算應(yīng)力和應(yīng)變。

2.1.2 模態(tài)分析理論

由于結(jié)構(gòu)的阻尼作用對其模態(tài)頻率和振型的影響很小[7]，可以忽略，模態(tài)分析的實質(zhì)即是求解自由度數(shù)目有限的無阻尼及無載荷作用下運動方程的模態(tài)矢量，那么系統(tǒng)在無阻尼下的自由振動方程矩陣形式為：

對線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，式(9)中，[]、[]為實數(shù)對稱矩陣，方程含有下面簡諧運動形式的解，具體如下：

式中：{(,,)}代表位移矢量的幅值，定義了位移矢量{}的空間分布；ω代表簡諧運動的角頻率。將式(10)帶入到式(9)中，可得：

式(11)在任意時刻均成立，故可簡化為：

式(12)是典型實特征值問題，{}有非零解的前提是其系數(shù)行列式的值為零，即為：

式中：＝ω2。求解式(13)可以得到一組離散根（＝1,2,…,），將式(13)帶入到式(12)中得到對應(yīng)矢量{φ}（＝1,2,…,），使得下式成立：

＝1,2,…,(14)

式中：稱為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的第個特征值，稱{φ}為對應(yīng)的第個特征矢量。

2.2 模型有限元建模

利用建模軟件UG NX8.0對照準(zhǔn)架進(jìn)行建模，在不影響結(jié)果精度的前提下適當(dāng)對模型進(jìn)行簡化?？紤]到實際工作條件下照準(zhǔn)架中間由主鏡筒進(jìn)行支撐，其對照準(zhǔn)架變形尺寸影響較大，在分析的時候只比對變形的大小，利用中空的圓柱將兩懸臂進(jìn)行連接。對兩種情況下的照準(zhǔn)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鑒于模型尺寸較大，單元屬性選擇CTETRA（10）。兩種情況下的模型網(wǎng)格劃分情況見圖3，照準(zhǔn)架結(jié)構(gòu)的單元數(shù)量分別為64274個和75264個，節(jié)點數(shù)分別為128718個和150258個。

圖3 照準(zhǔn)架網(wǎng)格劃分

2.3 材料選擇

由于整機對質(zhì)量的限定有著嚴(yán)格的要求，在保證整機強度的前提下選擇照準(zhǔn)架的結(jié)構(gòu)材料[8]。鋁合金材料具有良好的加工工藝性，可以利用現(xiàn)有的加工工藝，如車、銑、磨等對相應(yīng)的機械零件進(jìn)行加工，使鋁合金材料易于成型的優(yōu)點得到充分發(fā)揮[9]。此外，鋁合金材料在輕量化設(shè)計方面表現(xiàn)優(yōu)異，可充分對其進(jìn)行輕量化設(shè)計。由于本文所設(shè)計的照準(zhǔn)架尺寸較大，考慮到質(zhì)量、成本、加工工藝等要求，選擇鋁合金材料6061作為照準(zhǔn)架的主材料。該材料的屈服強度和抗拉強度分別為276MPa和310MPa，其余主要參數(shù)性能見表1。

表1 鋁合金6061參數(shù)表

2.4 靜力學(xué)分析

照準(zhǔn)架主要實現(xiàn)方位的轉(zhuǎn)動，同時為內(nèi)部相機載荷的俯仰運動提供支撐，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接干系到紅外相機的成像質(zhì)量，需要對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強度校核和變形情況分析，以檢驗設(shè)計是否能滿足工程需要[10-11]。根據(jù)紅外相機的實際使用工況，主要分為常溫和－20℃環(huán)境?？紤]到裝機要求，對照準(zhǔn)架施加6重力加速度及相關(guān)載荷約束，施加邊界條件后的有限元模型如圖4所示。

圖4 照準(zhǔn)架的有限元模型

照準(zhǔn)架使用過程中，通過渡軸與方位電機座進(jìn)行連接，限制照準(zhǔn)架與過渡軸連接部位的自由度，為兩懸臂孔施加內(nèi)部載荷作用力。分別對兩種工況下的有限元模型進(jìn)行工程分析，得到照準(zhǔn)架的變形云圖和應(yīng)力云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 照準(zhǔn)架常溫分析結(jié)果

圖6 照準(zhǔn)架－20℃均勻溫降分析結(jié)果

由分析仿真結(jié)果可知，常溫條件下的最大變形產(chǎn)生在照準(zhǔn)架來兩對稱懸臂的最下端，為0.504mm，最大應(yīng)力產(chǎn)生在照準(zhǔn)架與過渡軸連接的加強筋部位附近，為26.98MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強度。施加－20℃均勻溫降工況下，照準(zhǔn)架的最大變形同樣產(chǎn)生在懸臂最下端，為0.706mm，較常溫工況下有稍微的增加，最大應(yīng)力產(chǎn)生在與過渡軸連接的部位附近，為47.33MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強度。經(jīng)過分析，兩種情況下的變形和應(yīng)力情況，均滿足設(shè)計要求，表明照準(zhǔn)架工作狀態(tài)穩(wěn)定性良好。

2.5 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究部件動力學(xué)特性的有效方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)件的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[12-13]。如若部件的固有頻率和信號頻率相同或者接近，將會使部件的振動擴大，進(jìn)一步使傳遞到相機載荷上的作用力加大。這個作用力增大效果會傳遞給任意一個配對部件，最終會形成一個振動系統(tǒng)，直接干系到系統(tǒng)的動態(tài)特性。造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通過合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高部件的機械諧振頻率，避免與載機產(chǎn)生共振。需要對兩懸臂無連接狀態(tài)下的照準(zhǔn)架進(jìn)行模態(tài)分析，照準(zhǔn)架的前4階模態(tài)云圖如圖7所示。

圖7 照準(zhǔn)架前4階振型圖

照準(zhǔn)架的模態(tài)分析結(jié)果如表2所示，低階模態(tài)直接反應(yīng)方位框架的剛度特性。由分析結(jié)果可知照準(zhǔn)架基頻為53.2Hz。將相機剩余部件等效成一個質(zhì)量塊，經(jīng)過分析得到相機頻率為29.6Hz，兩種結(jié)果均明顯高于穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)帶寬及載機頻率4.7Hz，避免了共振的產(chǎn)生，提高了相機的抗干擾能力。

表2 照準(zhǔn)架前4階模態(tài)分析結(jié)果

3 結(jié)論

針對某兩軸兩框架紅外相機穩(wěn)定平臺照準(zhǔn)架，進(jìn)行了較為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立了有限元仿真模型，分別對模型進(jìn)行了常溫以及－20℃均勻溫降工況下的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。分析結(jié)果表明：所設(shè)計的照準(zhǔn)架在6重力、常溫工況下的最大變形和應(yīng)力分別為0.504mm、26.98MPa；照準(zhǔn)架在6重力、－20℃工況下的最大變形和應(yīng)力分別為0.706mm、47.33MPa。照準(zhǔn)架的1階固有頻率為53.2Hz，滿足控制帶寬要求。

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Design and Analysis of Gimbal-structure in an Infrared Camera Stabilized Platform

LI Quanchao，TAN Songnian，LI Lei，ZHANG Hongwei

(,,,,130033,)

A structure of two axes and two frameworks is designed for an infrared-camera stabilized platform. A more detailed structural design and analysis are conducted for sight frame of the camera key support structure. An integrated semi-enclosed structure is used in the sight frame to improve its own structural rigidity, while avoiding the machining deformation and alignment problems of large surface. An azimuth-sweep range of ±90° is achieved, with dual motor drive in pitch direction. A three-dimensional model of sight frame is established, and conditions of the 6gravity, temperature and－20℃ uniform of temperature drop are conducted for static and modal analysis. The results show that the maximum deformation of sight frame is 0.706mm, the maximum stress is 47.33MPa, and 1 order modal shapes is 53.2Hz, which all meet the design specification. The use of finite element software provides a theoretical basis for the design feasibility of sight frame of an infrared sighting system.

infrared camera，stabilized platform，sight frame，structure design，finite element analysis

V243.5

A

1001-8891(2016)09-0728-05

2016-02-01；

2016-03-11.

李全超（1988-），碩士，研究實習(xí)員，主要從事光機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方面的工作。E-mail：liquanchao-love@163.com。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（61405192）；中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新基金項目（CXJJ-15S158）。