CN111062168B - 一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法 - Google Patents
一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1）获取机载平台和机载无线激光通信设备的振动特性；2）确定机载无线激光通信设备动力学仿真模型；3）确定内部减振结构参数；4）进行内部减振结构动力学仿真；5）进行内部减振结构静力学仿真；6）进行内部减振结构实物试制及振动试验；7）进行实际飞行工况下的振动试验验证。这种方法简单实用，依据这种方法设计的减振结构能对机载无线激光通信设备内部光学敏感器件起到缓冲保护作用、能提高机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度和通信成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及机载无线激光通信技术，具体是一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法。
背景技术
机载无线激光通信设备是以无人机、飞机或系留气球为平台，利用激光作为载波在空间直接进行语音、数据、图像信息传输的通信设备。机载无线激光通信设备具有使用成本低、通信保密性好、通信可靠性高、抗电磁干扰能力强、通信容量大等特点。
随着机载无线激光通信设备在军民领域被逐渐广泛应用，人们对机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度及通信成像质量的要求也越来越严格。振动是影响机载无线激光通信设备稳定跟踪精度和通信成像质量的主要因素之一，机载平台自身及外界气流产生的振动会对机载无线激光通信设备的扫描、捕获、跟踪环节进行干扰，影响机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度和通信成像质量；当振动量级较大时，容易导致通信链路中断，所以必须对机载无线激光通信设备进行减振加装设计。
目前机载无线激光通信设备采用的减振方式大多数是在两轴伺服转台与机载平台挂载板连接处安装减振结构即外部减振方式，外部减振方式中减振结构的设计大多数依靠经验值，容易导致减振效果不明显，此外，采用该减振方式会使两轴伺服转台与机载平台之间的航向、俯仰、横滚、高度等姿态信息存在偏差，导致两台机载无线激光通信设备之间的初始指向不够准确，影响机载无线激光通信设备的扫描、捕获及跟踪效果，甚至有可能导致激光通信链路无法建立。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法。这种方法简单实用，依据这种方法设计的减振结构能对机载无线激光通信设备内部光学敏感器件起到缓冲保护作用、能提高机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度和通信成像质量。
实现本发明目的的技术方案是：
一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法，与现有技术不同处在于，包括如下步骤：
1）获取机载平台和机载无线激光通信设备的振动特性：采用INV3062V网络分布式采集仪进行机载无线激光通信设备实际飞行工况下的振动数据采集，测出机载平台的振动输入信号和机载无线激光通信设备的振动响应信号，采用DASP软件对振动信号进行传递函数分析、快速傅里叶分析、幅域统计分析、时变参量分析处理，得到机载平台和机载无线激光通信设备的振动特性即时域特性和频域特性；
2）确定机载无线激光通信设备动力学仿真模型：在动力学仿真软件ADAMS中建立机载无线激光通信设备动力学仿真模型，根据不同机载无线激光通信设备的类型，建立动力学仿真模型，将步骤1）采集到的机载平台振动输入信号导入机载无线激光通信设备动力学仿真模型中作为振动仿真激励源，通过ADAMS软件仿真运算，得到机载无线激光通信设备的仿真振动响应信号，并与步骤1）采集到的实测振动响应信号对比，若仿真振动响应信号与实测振动响应信号的加速度均方根值偏差值大于10%，则认为所建机载无线激光通信设备动力学仿真模型与实际机载无线激光通信设备偏差较大，需修改机载无线激光通信设备动力学仿真模型的参数即机载无线激光通信设备结构参数、动力学仿真参数，若仿真振动响应信号与实测振动响应信号的加速度均方根值偏差值小于或等于10%，说明所建机载无线激光通信设备动力学仿真模型与实际机载无线激光通信设备偏差可满足工程实际需求，可认为所建立机载无线激光通信设备动力学仿真模型适用于本技术方案；
3）确定内部减振结构参数：采用动力学仿真软件ADAMS软件，在机载无线激光通信设备动力学仿真模型中进行振动能量灵敏度分析，得到机载无线激光通信设备的振动能量传递灵敏参数；其次，采用动力学仿真软件ADAMS软件进行优化设计分析：设置振动能量传递灵敏参数为优化设计变量，设置传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率作为优化目标，并要求振动传递率小于20%、设置内部减振结构尺寸、刚度、阻尼参数的约束条件，采用龙格库塔算法对内部减振结构的种类、布局、尺寸、刚度和阻尼参数进行迭代仿真计算，在迭代仿真计算结果中得到振动传递率最小的内部减振结构参数；
4）进行内部减振结构动力学仿真：在ADAMS软件中，采用弹性衬套元件依据步骤3）仿真计算得到的内部减振结构参数进行等效建模，并将弹性衬套元件添与步骤2）机载无线激光通信设备动力学仿真模型结合，通过仿真计算得到机载无线激光通信设备动力学仿真模型的模态频率、振动传递率；如果机载无线激光通信设备动力学仿真模型的模态频率小于步骤1）中机载平台的振动频率的
倍，且传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率小于20%，则判断步骤3）所选取的内部减振结构参数能满足减振要求；否则，不满足减振要求，需要在ADAMS中修改步骤3）的内部减振结构参数；
5）进行内部减振结构静力学仿真：在有限元软件ANSYS中，采用弹簧元件依据步骤3）确定的内部减振结构参数进行等效建模，并将弹簧元件与机载无线激光通信设备有限元模型结合，通过有限元分析计算得到机载无线激光通信设备的最大应力，对比减振结构的固有屈服强度，如果计算得到的最大应力小于固有屈服强度，则判断步骤3）所选取的减振结构参数满足结构可靠性要求；否则，不满足结构可靠性要求，需要在ADAMS中修改步骤3）的减振结构参数；
6）进行内部减振结构实物试制及振动试验：根据步骤3）确定的内部减振结构参数进行实物试制，并加装于机载无线激光通信设备中，利用DC-6500-65型电动振动台进行正弦扫频试验和随机振动试验，测得机载无线激光通信设备试验模态频率和随机振动响应情况，如果机载无线激光通信设备的试验模态频率小于步骤1）机载平台的振动频率的
倍，且随机振动响应的传递率小于20%，说明内部减振结构的振动衰减效果满足要求；
7）进行实际飞行工况下的振动试验验证：将内部减振结构加装于机载无线激光通信设备中进行实际飞行工况振动测试，对比步骤1）未加装内部减振结构的振动测试结果，如果传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率小于20%，且机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度及通信成像质量较好，说明所设计的内部减振结构满足减振要求且综合性能较好。
本技术方案首先考虑的是减振结构的布置形式，即在机载无线激光通信设备内部光学天线基准板与光学天线外壳之间合理设置减振结构进行振动衰减即内部减振方式，该减振方式避免了机载平台与两轴伺服转台之间产生姿态偏差，能够提高机载无线激光通信设备的扫描、捕获及跟踪精度；同时使内部光学天线的敏感元器件（如光学镜片、光探测器、成像装置等）起到了很好的缓冲保护作用，提高了机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度及通信成像质量。
这种方法简单实用，依据这种方法设计的减振结构能对机载无线激光通信设备内部光学敏感器件起到缓冲保护作用、能提高机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度和通信成像质量。
附图说明
图1为实施例中方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法，包括如下步骤：
1）获取机载平台和机载无线激光通信设备的振动特性：采用INV3062V网络分布式采集仪进行机载无线激光通信设备实际飞行工况下的振动数据采集，测出机载平台的振动输入信号和机载无线激光通信设备的振动响应信号，采用DASP软件对振动信号进行传递函数分析、快速傅里叶分析、幅域统计分析、时变参量分析处理，得到机载平台和机载无线激光通信设备的振动特性即时域特性和频域特性；
2）确定机载无线激光通信设备动力学仿真模型：在动力学仿真软件ADAMS中建立机载无线激光通信设备动力学仿真模型，根据不同机载无线激光通信设备的类型，建立动力学仿真模型，将步骤1）采集到的机载平台振动输入信号导入机载无线激光通信设备动力学仿真模型中作为振动仿真激励源，通过ADAMS软件仿真运算，得到机载无线激光通信设备的仿真振动响应信号，并与步骤1）采集到的实测振动响应信号对比，若仿真振动响应信号与实测振动响应信号的加速度均方根值偏差值大于10%，则认为所建机载无线激光通信设备动力学仿真模型与实际机载无线激光通信设备偏差较大，需修改机载无线激光通信设备动力学仿真模型的参数即机载无线激光通信设备结构参数、动力学仿真参数，若仿真振动响应信号与实测振动响应信号的加速度均方根值偏差值小于或等于10%，说明所建机载无线激光通信设备动力学仿真模型与实际机载无线激光通信设备偏差可满足工程实际需求，可认为所建立机载无线激光通信设备动力学仿真模型适用于本技术方案；
3）确定内部减振结构参数：采用动力学仿真软件ADAMS软件，在机载无线激光通信设备动力学仿真模型中进行振动能量灵敏度分析，得到机载无线激光通信设备的振动能量传递灵敏参数；其次，采用动力学仿真软件ADAMS软件进行优化设计分析：设置振动能量传递灵敏参数为优化设计变量，设置传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率作为优化目标，并要求振动传递率小于20%、设置内部减振结构尺寸、刚度、阻尼参数的约束条件，采用龙格库塔算法对内部减振结构的种类、布局、尺寸、刚度和阻尼参数进行迭代仿真计算，在迭代仿真计算结果中得到振动传递率最小的内部减振结构参数；
4）进行内部减振结构动力学仿真：在ADAMS软件中，采用弹性衬套元件依据步骤3）仿真计算得到的内部减振结构参数进行等效建模，并将弹性衬套元件添与步骤2）机载无线激光通信设备动力学仿真模型结合，通过仿真计算得到机载无线激光通信设备动力学仿真模型的模态频率、振动传递率；如果机载无线激光通信设备动力学仿真模型的模态频率小于步骤1）中机载平台的振动频率的
倍，且传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率小于20%，则判断步骤3）所选取的内部减振结构参数能满足减振要求；否则，不满足减振要求，需要在ADAMS中修改步骤3）的内部减振结构参数；
5）进行内部减振结构静力学仿真：在有限元软件ANSYS中，采用弹簧元件依据步骤3）确定的内部减振结构参数进行等效建模，并将弹簧元件与机载无线激光通信设备有限元模型结合，通过有限元分析计算得到机载无线激光通信设备的最大应力，对比减振结构的固有屈服强度，如果计算得到的最大应力小于固有屈服强度，则判断步骤3）所选取的减振结构参数满足结构可靠性要求；否则，不满足结构可靠性要求，需要在ADAMS中修改步骤3）的减振结构参数；
6）进行内部减振结构实物试制及振动试验：根据步骤3）确定的内部减振结构参数进行实物试制，并加装于机载无线激光通信设备中，利用DC-6500-65型电动振动台进行正弦扫频试验和随机振动试验，测得机载无线激光通信设备试验模态频率和随机振动响应情况，如果机载无线激光通信设备的试验模态频率小于步骤1）机载平台的振动频率的
倍，且随机振动响应的传递率小于20%，说明内部减振结构的振动衰减效果满足要求；
7）进行实际飞行工况下的振动试验验证：将内部减振结构加装于机载无线激光通信设备中进行实际飞行工况振动测试，对比步骤1）未加装内部减振结构的振动测试结果，如果传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率小于20%，且机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度及通信成像质量较好，说明所设计的内部减振结构满足减振要求且综合性能较好。
Claims (1)
1.一种适用于机载无线激光通信设备减振结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）获取机载平台和机载无线激光通信设备的振动特性：采用INV3062V网络分布式采集仪进行机载无线激光通信设备实际飞行工况下的振动数据采集，测出机载平台的振动输入信号和机载无线激光通信设备的振动响应信号，采用DASP软件对振动信号进行传递函数分析、快速傅里叶分析、幅域统计分析、时变参量分析处理，得到机载平台和机载无线激光通信设备的振动特性即时域特性和频域特性；
2）确定机载无线激光通信设备动力学仿真模型：在动力学仿真软件ADAMS中建立机载无线激光通信设备动力学仿真模型，根据不同机载无线激光通信设备的类型，建立动力学仿真模型，将步骤1）采集到的机载平台振动输入信号导入机载无线激光通信设备动力学仿真模型中作为振动仿真激励源，通过ADAMS软件仿真运算，得到机载无线激光通信设备的仿真振动响应信号，并与步骤1）采集到的实测振动响应信号对比，若仿真振动响应信号与实测振动响应信号的加速度均方根值偏差值大于10%，则认为所建机载无线激光通信设备动力学仿真模型与实际机载无线激光通信设备偏差大，需修改机载无线激光通信设备动力学仿真模型的参数即机载无线激光通信设备结构参数、动力学仿真参数，若仿真振动响应信号与实测振动响应信号的加速度均方根值偏差值小于或等于10%，说明所建机载无线激光通信设备动力学仿真模型与实际机载无线激光通信设备偏差可满足工程实际需求；
3）确定内部减振结构参数：采用动力学仿真软件ADAMS软件，在机载无线激光通信设备动力学仿真模型中进行振动能量灵敏度分析，得到机载无线激光通信设备的振动能量传递灵敏参数；其次，采用动力学仿真软件ADAMS软件进行优化设计分析：设置振动能量传递灵敏参数为优化设计变量，设置传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率作为优化目标，并要求振动传递率小于20%、设置内部减振结构尺寸、刚度、阻尼参数的约束条件，采用龙格库塔算法对内部减振结构的种类、布局、尺寸、刚度和阻尼参数进行迭代仿真计算，在迭代仿真计算结果中得到振动传递率最小的内部减振结构参数；
4）进行内部减振结构动力学仿真：在ADAMS软件中，采用弹性衬套元件依据步骤3）仿真计算得到的内部减振结构参数进行等效建模，并将弹性衬套元件添与步骤2）机载无线激光通信设备动力学仿真模型结合，通过仿真计算得到机载无线激光通信设备动力学仿真模型的模态频率、振动传递率；如果机载无线激光通信设备动力学仿真模型的模态频率小于步骤1）中机载平台的振动频率的
倍，且传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率小于20%，则判断步骤3）所选取的内部减振结构参数能满足减振要求；否则，不满足减振要求，需要在ADAMS中修改步骤3）的内部减振结构参数；
5）进行内部减振结构静力学仿真：在有限元软件ANSYS中，采用弹簧元件依据步骤3）确定的内部减振结构参数进行等效建模，并将弹簧元件与机载无线激光通信设备有限元模型结合，通过有限元分析计算得到机载无线激光通信设备的最大应力，对比减振结构的固有屈服强度，如果计算得到的最大应力小于固有屈服强度，则判断步骤3）所选取的减振结构参数满足结构可靠性要求；否则，不满足结构可靠性要求，需要在ADAMS中修改步骤3）的减振结构参数；
6）进行内部减振结构实物试制及振动试验：根据步骤3）确定的内部减振结构参数进行实物试制，并加装于机载无线激光通信设备中，利用DC-6500-65型电动振动台进行正弦扫频试验和随机振动试验，测得机载无线激光通信设备试验模态频率和随机振动响应情况，如果机载无线激光通信设备的试验模态频率小于步骤1）机载平台的振动频率的
倍，且随机振动响应的传递率小于20%；
7）进行实际飞行工况下的振动试验验证：将内部减振结构加装于机载无线激光通信设备中进行实际飞行工况振动测试，对比步骤1）未加装内部减振结构的振动测试结果，如果传递到机载无线激光通信设备中光学天线基准板的振动传递率小于20%，且机载无线激光通信设备的稳定跟踪精度及通信成像质量好，说明所设计的内部减振结构满足减振要求且综合性能好。
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