CN106407607B - 一种机载多轴隔振系统及优化方法 - Google Patents

一种机载多轴隔振系统及优化方法 Download PDF

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Abstract

一种机载多轴隔振系统及其优化方法，它包括：机械接口部分、减振机构部分及优化方法。它们的位置连接关系为：机械接口部分通过关节轴承与减振机构部分相连。减振机构部分通过机械接口部分实现与机架的连接关系，作为中介对飞机结构传至光电载荷的振动进行隔离。优化方法部分建立了避免空间位置干涉的构型优化模型，旨在以更完善的优化策略高效的解决隔振系统几何构型设计与优化问题，可以在短时间内得到一组同时满足频率要求和结构设计要求的多轴隔振系统构型参数，避免了手动迭代调整的繁琐性。本发明设计方法新颖，结构科学，能够适应机载精密设备振动环境下的稳定要求。它在机载结构振动控制技术领域里具有较好的实用价值。

Description

一种机载多轴隔振系统及优化方法
技术领域
本发明涉及一种新型机载多轴隔振系统，属于结构振动控制技术领域。
背景技术
现今，航空产业蓬勃发展，无论民用或军用，利用搭载光电载荷的飞机进行大范围、长时间的巡航侦察已成为主要的航空活动之一。光电载荷的稳定精度和成像质量直接影响着获取的信息量，而其受到的振动是制约上述两者的最主要因素。
机载光电载荷主要受到内部振源和外部振源的影响。前者包括光学系统调焦和变倍机构以及飞机自身的转子及结构挠性等引起的振动，后者主要包括气动载荷所引起的震颤。这些振动会通过飞机结构传递到光电载荷，降低成像质量和跟踪精度，严重时可能丢失目标。故需要对光电载荷设计专门的隔振装置，将其与振源隔离，以提高光电载荷工作性能。
对于无人机来说，主要应用的减振产品为航空减振支座。在不影响视场的情况下，传统减振器只能偏心布局于光电载荷上方。对于垂向振动，由于减振器布局的几何中心过方位轴，减振效果尚佳；对于切向振动，系统重心在减振器几何中心下方，会不可避免的产生角扰动，影响视轴稳定。对于经常变换视角、振动扰动情况复杂的机载光电载荷，使用这类产品难以满足高质量成像的要求。
本发明提出一种基于Hexapod构型的机载多轴隔振系统及其优化方法，能较好地解决上述问题。机载多轴隔振系统包括安装平台、载荷平台和六根沿圆周均布于平台间的阻尼支杆。本发明的主要特点是以Hexapod自身的结构特性和阻尼支杆的物理特性对振动扰动进行隔离。当安装平台受到扰动时，各杆通过线性运动对振动进行隔离，保持载荷平台的稳定。隔振系统的频率特性与整体构型和阻尼支杆的刚度有关：构型决定前六阶主模态频率分散程度，支杆的刚度系数直接影响隔振系统最低模态频率的大小。因此需要对构型和刚度系数进行设计，保证隔振系统的前六阶主模态频率在避开内、外部扰动频率的同时减小频率的分散度，以实现良好的隔振效果。因此，该隔振系统具备以下特点：可调整结构以改变自身频率特性；可在隔离垂直向振动的同时具备抗剪切向和角振动扰动的能力；可根据载荷的大小和频率要求进行隔振系统构型设计和阻尼支杆的技术参数设计；可根据飞机的空间要求对隔振系统的大小进行设计。因此，本发明能同时满足提高航空隔振稳定精度和多机型适应两方面的需求。
同时，普遍考察光电载荷相对飞机机架的位置关系、机架常见设计形式和多轴并联隔振系统的构型，隔振系统的安装布局空间通常需要考虑避让出可能发生结构干涉的位置(如机架结构中的斜梁式突出挂点等)。本发明提出一种优化方法并应用于机载多轴隔振系统的设计中，旨在以更完善的优化策略高效的解决隔振系统几何构型设计与优化问题，使隔振系统的前六阶主模态频率在避开内、外部扰动频率的同时减小频率的分散度，以实现良好的隔振效果。这一优化方法避免了手动多次调整迭代的繁琐，简单快速的得到优化后的构型设计。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种基于Hexapod构型的机载多轴隔振系统及其优化方法，为航空光电载荷提供一个稳定的工作环境。
本发明为一种基于Hexapod构型的机载多轴隔振系统，它包括机械接口部分、减振机构部分及优化方法。位置连接关系为：机械接口部分通过关节轴承与减振机构部分相连。减振机构部分通过机械接口部分实现与机架的连接关系，作为中介对飞机结构传至光电载荷的振动进行隔离。
所述机械接口部分包括：安装平台、载荷平台和轴承支座。它们之间的位置连接关系是：安装平台与机架固定，位于下方的载荷平台与光电载荷固定，根据光电载荷的尺寸与重心位置要求设计载荷平台接口形式。每只轴承支座通过4只M4螺钉与平台固定，以确定安装角度和安装位置。该安装平台和载荷平台为LY12材料制造，根据机架和载荷的接口进行设计。安装平台根据安装要求和机架的机械接口进行设计。载荷平台根据光电载荷机械接口的形式可设计为环形或由用户自主设计。该轴承支座为40Cr调制材料制造。
所述减振机构部分包括：六根阻尼支杆和支杆两端的关节轴承。每根阻尼支杆包括：阻尼器和两端的关节轴承接头。它们之间的位置连接关系是：阻尼器通过两端的接口与关节轴承接头进行螺纹连接，可通过调整接头在两端的旋入深度对阻尼器在阻尼支杆长度范围内的位置进行调整，并配以螺母和弹簧垫圈进行位置锁定。该关节轴承可以承受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向同时存在的联合负荷，用于速度较低的摆动运动和低速旋转。该关节轴承以双面单三个冲点的形式嵌入关节轴承接头。关节轴承接头与轴承支座通过穿过轴承支座立面通孔和关节轴承内环的铰制孔螺栓进行连接，实现关节轴承接头相对轴承座的转动和摆动。每根阻尼支杆均通过该连接关系分别与安装平台和载荷平台相连，并与平台平面成一定的设计角度，六杆以Hexapod构型分布在平台的高度空间内，作为中介对由安装平台传至载荷平台的振动在六自由度方向上进行衰减，实现载荷平台的稳定。该阻尼器型号是美国ITT Enidine公司的Wire Mesh Isolator金属阻尼器，为市购产品，由伸杆、外壳和金属阻尼材料组成，双向受载。静刚度、动刚度与阻尼比根据光电载荷的频率要求和阻尼器的放大率进行设计。该关节轴承为自润滑向心关节轴承，型号为SKF GE6C，是市购产品。该关节轴承接头为40Cr调制材料制造，自主设计，接口尺寸根据阻尼器接口和关节轴承外环尺寸进行设计。
本发明的优化方法部分建立了避免空间位置干涉的构型优化模型，旨在以更完善的优化策略高效的解决隔振系统几何构型设计与优化问题，可以在短时间内得到一组同时满足频率要求和结构设计要求的多轴隔振系统构型参数，避免了手动迭代调整的繁琐性。在频率要求部分，以前六阶主频率分散度最小为优化目标，选择方差为目标函数。在结构设计要求部分，考虑了多轴隔振系统的安装布局空间受限，且须避让出可能发生结构干涉的位置(如机架结构中的斜梁式突出挂点等)的情况。优化方法为：以遗传算法为优化工具对多轴隔振系统构型进行优化。因为光电载荷相关物理参数(质量，质心位置，转动惯量)确定，设计变量是Hexapod构型多轴隔振系统几何构型参数和阻尼器的统一刚度系数。几何构型参数包括：安装平台轴承支座安装铰圆半径、载荷平台轴承支座安装铰圆半径、两平台之间高度、安装平台一组相邻轴承支座安装铰点对应圆心角和载荷平台一组相邻轴承支座安装铰点对应圆心角。通过对可能发生干涉的器件进行数学建模的方法建立非线性约束，保证了优化结果的有效性。由此优化目标得到最优构型的几何特征为：各阻尼支杆与载荷平台的夹角近似45度，两平台之间高度较小。
本发明的优点在于：
本发明结构简单，阻尼器应用广泛，技术成熟，可靠性高。
本发明构型变化丰富，适应性大。
本发明在隔离垂直向振动的同时具备抗剪切向和角振动扰动的能力，性能优于现有航空隔振支座。
本发明结构频率可设计，避开内外部扰动频率。
本发明隔振系统构型设计过程由程序计算优化得到，快速有效。
附图说明
图1是本发明的三视图
图2是本发明的简化模型
图3是本发明的阻尼支杆部分半剖平面图
图4是本发明的约束函数设计方法示意图
图5是本发明的优化方法流程示意图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明提出了一种基于Hexapod构型的机载多轴隔振系统及其优化方法，为安装的光电载荷提供一个稳定的工作环境，如图1所示。它包括机械接口部分、减振机构部分及优化方法。位置连接关系为：如图2和图3所示，减振机构部分通过关节轴承10与机械接口部分相连。关节轴承接头(定子)8和关节轴承接头(动子)9通过关节轴承10和铰制孔螺栓与轴承支座11连接，关节轴承10的内环与铰制孔螺栓的光轴部分为过盈配合，实现关节轴承接头(定子)8和关节轴承接头(动子)9相对轴承支座11的转动和摆动。通过以上的连接关系实现载荷平台3相对安装平台1的六自由度运动，减振机构部分作为中介对飞机结构传至光电载荷的振动进行隔离。
所述机械接口部分包括：安装平台1、载荷平台3和轴承支座11。它们之间的位置连接关系是：安装平台1与机架固定，位于下方的载荷平台3与光电载荷固定，根据光电载荷的尺寸与重心位置要求设计载荷平台接口形式。每只轴承支座11通过4只M4螺钉与平台固定，以确定安装角度和安装位置。该安装平台1和载荷平台3为LY12材料制造，根据机架和载荷的接口进行设计。安装平台根据安装要求和机架的机械接口进行设计。载荷平台根据光电载荷机械接口的形式可设计为环形或由用户自主设计。
如图3所示，所述减振机构部分包括：阻尼支杆2(6根)和支杆两端的关节轴承10。阻尼支杆2包括：阻尼器4、关节轴承接头(定子)8和关节轴承接头(动子)9。阻尼器4包括：伸杆5、金属阻尼材料6和外壳7。它们之间的位置连接关系是：阻尼器4两端设计有M6的螺纹接口，关节轴承接头(定子)8和关节轴承接头(动子)9在杆端加工有M6螺纹。关节轴承接头(定子)8的螺纹端与外壳7底部的螺纹接口联接，关节轴承接头(动子)9的螺纹端与伸杆5的螺纹接口联接，可通过调整关节轴承接头(定子)8和关节轴承接头(动子)9的旋入深度调整阻尼支杆2的整体长度和阻尼器4在整体长度范围内的位置，并由弹簧垫圈和螺母锁定。关节轴承接头(定子)8和关节轴承接头(动子)9的非螺纹端均嵌入关节轴承10，关节轴承10的外环与关节轴承接头(定子)8和关节轴承接头(动子)9的轴承嵌入端以双面单三个冲点的形式固定。
本发明的优化方法流程为：首先，以机载多轴隔振系统构型参数为设计变量完成对多轴隔振系统的几何建模，建模参数即为设计变量和光电载荷已知相关物理参数，得出前六阶主模态频率和方差，将方差函数作为遗传算法的目标函数。其次，对可能与隔振系统中各阻尼支杆干涉的飞机器件进行几何建模，依次求解与可能发生干涉的阻尼支杆的空间最小距离，将此函数作为遗传算法的非线性约束函数，如图4所示。然后，根据飞机总体设计要求，对设计变量进行上下界的设定。最后，总结出优化模型，以模态频率分散度最小为优化目标，采用遗传算法进行寻优，在分别对前六阶主模态频率的平均值和空间最小距离进行约束的情况下快速得到满足条件的最优构型参数，如图5所示。因此，每一次进行优化设计，只需要输入几何构型参数的上下界要求、前六阶主模态频率方差的数值要求以及与干涉零件距离要求，即可在短时间内得到满足所有条件的最优构型。
本发明工作过程为：当有直接干扰(例如由机架横向振动引起的横向力)作用于安装平台1时，位于干扰力方向一侧的阻尼器4会发生变形并产生一个压缩量，同时位于另一侧的阻尼器4会发生变形并产生一个伸长量。两侧阻尼器会对光电载荷趋于干扰方向的运动提供阻力，耗减运动能量。同理，当出现多个自由度方向的混合干扰时，呈Hexapod构型的六只阻尼器会发生相应的变形对干扰进行减弱，同时通过关节轴承的作用实现对载荷的稳定。这样机架通过安装平台1传递至载荷平台3的干扰就会大大衰减，从而满足了高精密设备对安装结构隔振性能的要求。

Claims (3)

1.一种机载多轴隔振系统的优化方法，其特征在于：机载多轴隔振系统包括机械接口部分、减振机构部分，它们的位置连接关系为：机械接口部分通过关节轴承与减振机构部分相连，减振机构部分通过机械接口部分实现与机架的连接关系，作为中介对飞机结构传至光电载荷的振动进行隔离；
所述机械接口部分包括：安装平台、载荷平台和轴承支座，它们之间的位置连接关系是：安装平台与机架固定，位于下方的载荷平台与光电载荷固定，根据光电载荷的尺寸与重心位置要求设计载荷平台接口形式；每只轴承支座通过4只M4螺钉与平台固定，以确定安装角度和安装位置；该安装平台和载荷平台根据机架和载荷的接口进行设计：安装平台根据安装要求和机架的机械接口进行设计、载荷平台根据光电载荷机械接口的形式设计为环形或由用户自主设计；
所述减振机构部分包括：六根阻尼支杆和支杆两端的关节轴承，每根阻尼支杆包括：阻尼器和两端的关节轴承接头，它们之间的位置连接关系是：阻尼器通过两端的接口与关节轴承接头进行螺纹连接，通过调整接头在两端的旋入深度对阻尼器在阻尼支杆长度范围内的位置进行调整，并配以螺母和弹簧垫圈进行位置锁定；关节轴承以双面单三个冲点的形式嵌入关节轴承接头，关节轴承接头与轴承支座通过穿过轴承支座立面通孔和关节轴承内环的铰制孔螺栓进行连接，实现关节轴承接头相对轴承座的转动和摆动；每根阻尼支杆均通过该连接关系分别与安装平台和载荷平台相连，并与平台平面成一定的设计角度，六杆以Hexapod构型分布在平台的高度空间内，作为中介对由安装平台传至载荷平台的振动在六自由度方向上进行衰减，实现载荷平台的稳定；该阻尼器由伸杆、外壳和金属阻尼材料组成，所述阻尼器的静刚度、动刚度与阻尼比根据光电载荷的频率要求和阻尼器的放大率进行设计；该关节轴承为自润滑向心关节轴承,可以承受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向同时存在的联合负荷，用于速度较低的摆动运动和低速旋转；该关节轴承接头为自主设计，接口尺寸根据阻尼器接口和关节轴承外环尺寸进行设计；
所述优化方法以机载多轴隔振系统构型参数为设计变量；在频率要求部分，根据系统构型参数和光电载荷已知质量、质心位置和转动惯量得出系统前六阶主模态频率及其方差，以前六阶主模态频率分散度最小为优化目标，即选择前六阶主模态频率的方差为目标函数；在结构设计要求部分，考虑了多轴隔振系统的安装布局空间受限，且须避让出可能发生结构干涉位置的情况,求解飞机与可能发生干涉的阻尼支杆的空间最小距离作为非线性约束函数，并根据飞机总体设计要求对设计变量进行上下界的设定；根据建立的目标函数、非线性约束函数和设计变量上下界的设定总结出优化模型，采用遗传算法进行寻优，得到满足条件的最优构型参数；光电载荷的质量、质心位置和转动惯量是确定的，设计变量是Hexapod构型多轴隔振系统几何构型参数和阻尼器的统一刚度系数，几何构型参数包括：安装平台轴承支座安装铰圆半径、载荷平台轴承支座安装铰圆半径、两平台之间高度、安装平台一组相邻轴承支座安装铰点对应圆心角和载荷平台一组相邻轴承支座安装铰点对应圆心角；优化目标得到最优构型的几何特征为：各阻尼支杆与载荷平台的夹角近似45度，两平台之间高度较小。
2.如权利要求1所述的机载多轴隔振系统的优化方法，其特征在于：该阻尼器的型号为ITTEnidine公司的Wire Mesh Isolator金属阻尼器。
3.如权利要求1所述的机载多轴隔振系统的优化方法，其特征在于：该自润滑向心关节轴承的型号为SKF公司的GE6C。
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