一種平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種平臺式慣導系統的減振器設計方法，具體涉及一種平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法。
【背景技術】
[0002]由于平臺式慣導系統所受載荷可能為空間三向寬帶隨機載荷，若使減振系統在空間相互正交的三個主振方向上的線振動固有頻率相同(即三向等剛度)可有效縮減共振帶寬，提高減振系統對隨機振動的減振效率。
[0003]不同型號的平臺式慣導系統由于結構、使用環境的不同，需要設計出不同型號的三向等剛度橡膠減振器。在設計過程中，若只依賴試驗手段，則需要大量制備試驗樣件和開展試驗分析，耗費資源多、設計周期長。高阻尼硅橡膠系列減振器無論質量和體積都可以做得很小，它可以根據設備安裝的結構形式硫化成任意幾何形狀，以高阻尼為主要特征，阻尼系數可高達0.2?0.3，使用溫度范圍可達-55°C?70 °C，其性能遠超出一般橡膠減振器，被用于國產型號機種的黑匣子以及機載電子設備的減振。本發明以高阻尼硅橡膠系列減振器為研究對象，針對“三向等剛度”設計要求，基于有限元建模分析手段，提出了平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法。該方法借助仿真分析手段，根據設計要求，可將橡膠減振器的結構參數鎖定在較小范圍；然后再制備試驗樣件進行試驗驗證，可節約資源并縮短設計周期，具有重要的工程價值。
【發明內容】
[0004]要解決的技術問題:針對基于試驗分析的平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法在設計成本及設計周期等方面的不足，本發明提供一種基于有限元法的平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法。
[0005]技術方案:為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
[0006]—種平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法，所述橡膠減振器為中心軸對稱結構，包括一橡膠環，所述方法包括以下步驟:
[0007]步驟(I)將橡膠環旋轉截面設計為一平行四邊形，對橡膠減振器進行參數化建模:參數a和參數b分別為平行四邊形兩個邊長，參數m為平行四邊形的靠近減振器旋轉軸一個內角，參數η為平行四邊形與水平面的夾角；
[0008]步驟(2)根據四個參數的取值，建立減振系統的有限元模型，所述減振系統包括平臺式慣導系統、橡膠減震器和剛性基座，所述減振器關于過平臺式慣導系統質心的三個相互正交的平面對稱設置；
[0009]步驟(3)在剛性基座處施加固定約束邊界條件，對減振系統有限元模型進行模態分析，獲得系統在與減振器旋轉軸方向平行的y軸方向線振動固有頻率fy，以及獲得減振系統在X軸、2軸方向上的線振動固有頻率f x、fz ;
[0010]步驟(4)由于對稱性有fx= fz，若fy、fX間的差值不滿足設定的條件，則調整參數m和/或η的取值，返回至步驟(2);否則進入步驟(5);
[0011]進一步地，所述步驟(4)中調整參數m或η的取值使得fy、fx間的差值滿足條件的具體方法為:若|fy-fx| (T1Hz,則不再調整參數m和η的取值;若fy-fxXMz，則增大參數m的取值和/或減小參數η的取值;若fx-fVAHz，則增大參數η的取值和/或減小參數m的取值;!^為設定的閾值參數。作為優選，參數η的取值范圍為30° <η<60°，參數m的取值范圍為(n+20°)<m<(n+70°)o
[0012]步驟(5)若fx、fy與減振系統線振動固有頻率的設計目標值fo的差值不滿足設定的條件，則調整參數a和/或b的取值，返回至步驟(2);否則設計完成。
[0013]進一步地，所述步驟(5)中調整參數a和/或b的取值使得fy、fx的取值滿足設計目標的具體方法為:若I fx-fo I < T2Hz且I fy-fo I < T2Hz，則不再調整參數a和b的取值;否則，若(fx+fy)/2>fo，則減小參數a的取值和/或增大參數b的取值，若(fx+fy)/2〈fo，則減小參數b的取值和/或增大參數a的取值；T 2為設定的閾值參數。作為優選，參數a的取值范圍為2 mm〈 a〈15_，參數13的取值范圍為2_〈13〈15_，且0.25〈a/b〈4。
[0014]在一個具體的實施方案中，所述減振系統的有限元模型包括平臺式慣導系統、螺栓、橡膠減震器和剛性基座的有限元模型，模型建立步驟包括:
[0015]步驟(2.1)根據四個參數取值及橡膠減振器整體尺寸的設計要求，設計出橡膠減振器的旋轉截面；
[0016]步驟(2.2)選取四節點平面單元對減振器旋轉截面進行網格劃分；
[0017]步驟(2.3)由橡膠減振器旋轉截面上的平面單元繞旋轉軸拉伸生成六面體單元，進而建立橡膠減振器的有限元模型；
[0018]步驟(2.4)用四面體單元建立平臺式慣導系統有限元模型，用六面體單元建立剛性基座的有限兀t旲型；
[0019]步驟(2.5)用六面體單元建立螺栓的有限元模型，并將橡膠減振器的有限元模型通過螺栓有限元模型分別與平臺式慣導系統的有限元模型及剛性基座的有限元模型連接，形成整個減振系統的有限元模型。
[0020]作為優選，所述減振系統包括8個橡膠減振器，在平臺式慣導系統上、下表面各布置4個橡膠減振器。
[0021]有益效果:本發明的基于有限元法的平臺式慣導系統三向等剛度橡膠減振器設計方法，避免了大量試驗樣件的制備，節約設計成本；同時有限元分析較試驗分析耗時短，前者對應的設計周期更短。
【附圖說明】
[0022]圖1是橡膠減振器及其旋轉截面示意圖；(a)為減振器立體圖，(b)為旋轉截面；
[0023]圖2是基于有限元法的平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法流程圖；
[0024]圖3是橡膠減振器的橡膠環旋轉截面示意圖；
[0025]圖4是減振系統有限元模型示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0027]如圖1所示為橡膠減振器及其旋轉截面示意圖。本實施例中的橡膠減震器由兩段硬鋁環和中間的橡膠環組成，其中硬鋁的材料參數為:彈性模量為72GPa，密度為3100kg/m3，泊松比為0.33，阻尼系數為0.001;其中橡膠的材料參數為:彈性模量為IMPa，密度為960kg/m3，泊松比為0.49，阻尼系數為0.2。
[0028]本例中平臺式慣導系統的質量為10kg。設計目標為:減振系統在正交坐標系的三個坐標軸方向上線振動固有頻率(f X、f y、f z )之間的差別不超過3Hz，f X、f y、f Z與減振系統線振動固有頻率的設計目標值fo = 80Hz之差不超過1.5Hz。本實施例中相關計算結果基于上述設定的參數和目標，本領域技術人員可知雖在不同的應用場景數值上會有不同，但不影響本發明的整體設計思路。
[0029]如圖2所示，本發明實施例公開的一種基于有限元法的平臺式慣導系統的三向等剛度橡膠減振器設計方法，包括如下步驟:
[0030]步驟(I)、將橡膠環旋轉截面設計為一平行四邊形，對橡膠減振器進行參數化建模:參數a和參數b分別為平行四邊形兩個邊長，參數m為平行四邊形的靠旋轉軸一個內角，參數η為平行四邊形與水平面的夾角(如圖3)，各參數的初始取值范圍為:5mm< a < 10mm，5mm < b < 10mm，90° < m < 100°，40° < n < 50°，本例中取值為:a = 5mm，b = 10mm，m = 90°，n =45。；
[0031]步驟(2)、根據四個參數的取值，建立橡膠減振器系統的有限元模型，本例中減振系統包括平臺式慣導系統、螺栓、橡膠減震器和剛性基座，如圖4所示，相應的有限元模型包括建立平臺式慣導系統、螺栓、橡膠減震器、剛性基座在內的減振系統有限元模型；該減振系統共包含8個橡膠減振器，在平臺式慣導系統上、下表面各布置4個橡膠減振器，這8個減振器的位置分別關于過平臺式慣導系統質心的三個相互正交的平面對稱。對于其它形式的平臺式慣導系統的減振系統結構，可參考本例的建立方法根據具體結構進行有限元模型的建立，本例的有限元模型的建立包括如下步驟:
[0032]步驟(2.1)、根據四個參數取值及橡膠減振器整體尺寸的設計要求，設計出橡膠減振器的旋轉截面；
[0033]步驟(2.2)、選取四節點平面單元對減振器旋轉截面進行網格劃分；
[0034]步驟(2.3)、由橡膠減振器旋轉截面上的平面單元繞旋轉軸拉伸生成六面體單元，進而建立橡膠減振器的有限元模型；
[0035]步驟(2.4)、用四面體單元建立平臺式慣導系統有限元模型，用六面體單元建立剛性基座的有限兀t旲型；
[0036]步驟(2.5)、用六面體單元建立螺栓的有限元模型，并將8個橡膠減振器的有限元模型通過螺栓有限元模型分別與平臺式慣