一種平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的減振器設(shè)計(jì)方法，具體涉及一種平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)所受載荷可能為空間三向?qū)拵щS機(jī)載荷，若使減振系統(tǒng)在空間相互正交的三個(gè)主振方向上的線振動(dòng)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(tǒng)對(duì)隨機(jī)振動(dòng)的減振效率。
[0003]不同型號(hào)的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境的不同，需要設(shè)計(jì)出不同型號(hào)的三向等剛度橡膠減振器。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，若只依賴試驗(yàn)手段，則需要大量制備試驗(yàn)樣件和開(kāi)展試驗(yàn)分析，耗費(fèi)資源多、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。高阻尼硅橡膠系列減振器無(wú)論質(zhì)量和體積都可以做得很小，它可以根據(jù)設(shè)備安裝的結(jié)構(gòu)形式硫化成任意幾何形狀，以高阻尼為主要特征，阻尼系數(shù)可高達(dá)0.2?0.3，使用溫度范圍可達(dá)-55°C?70 °C，其性能遠(yuǎn)超出一般橡膠減振器，被用于國(guó)產(chǎn)型號(hào)機(jī)種的黑匣子以及機(jī)載電子設(shè)備的減振。本發(fā)明以高阻尼硅橡膠系列減振器為研究對(duì)象，針對(duì)“三向等剛度”設(shè)計(jì)要求，基于有限元建模分析手段，提出了平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法。該方法借助仿真分析手段，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可將橡膠減振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)鎖定在較小范圍；然后再制備試驗(yàn)樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可節(jié)約資源并縮短設(shè)計(jì)周期，具有重要的工程價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問(wèn)題:針對(duì)基于試驗(yàn)分析的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)成本及設(shè)計(jì)周期等方面的不足，本發(fā)明提供一種基于有限元法的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法，所述橡膠減振器為中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括一橡膠環(huán)，所述方法包括以下步驟:
[0007]步驟(I)將橡膠環(huán)旋轉(zhuǎn)截面設(shè)計(jì)為一平行四邊形，對(duì)橡膠減振器進(jìn)行參數(shù)化建模:參數(shù)a和參數(shù)b分別為平行四邊形兩個(gè)邊長(zhǎng)，參數(shù)m為平行四邊形的靠近減振器旋轉(zhuǎn)軸一個(gè)內(nèi)角，參數(shù)η為平行四邊形與水平面的夾角；
[0008]步驟(2)根據(jù)四個(gè)參數(shù)的取值，建立減振系統(tǒng)的有限元模型，所述減振系統(tǒng)包括平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)、橡膠減震器和剛性基座，所述減振器關(guān)于過(guò)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)心的三個(gè)相互正交的平面對(duì)稱設(shè)置；
[0009]步驟(3)在剛性基座處施加固定約束邊界條件，對(duì)減振系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲得系統(tǒng)在與減振器旋轉(zhuǎn)軸方向平行的y軸方向線振動(dòng)固有頻率fy，以及獲得減振系統(tǒng)在X軸、2軸方向上的線振動(dòng)固有頻率f x、fz ;
[0010]步驟(4)由于對(duì)稱性有fx= fz，若fy、fX間的差值不滿足設(shè)定的條件，則調(diào)整參數(shù)m和/或η的取值，返回至步驟(2);否則進(jìn)入步驟(5);
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟(4)中調(diào)整參數(shù)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(diào)整參數(shù)m和η的取值;若fy-fxXMz，則增大參數(shù)m的取值和/或減小參數(shù)η的取值;若fx-fVAHz，則增大參數(shù)η的取值和/或減小參數(shù)m的取值;!^為設(shè)定的閾值參數(shù)。作為優(yōu)選，參數(shù)η的取值范圍為30° <η<60°，參數(shù)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(tǒng)線振動(dòng)固有頻率的設(shè)計(jì)目標(biāo)值fo的差值不滿足設(shè)定的條件，則調(diào)整參數(shù)a和/或b的取值，返回至步驟(2);否則設(shè)計(jì)完成。
[0013]進(jìn)一步地，所述步驟(5)中調(diào)整參數(shù)a和/或b的取值使得fy、fx的取值滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的具體方法為:若I fx-fo I < T2Hz且I fy-fo I < T2Hz，則不再調(diào)整參數(shù)a和b的取值;否則，若(fx+fy)/2>fo，則減小參數(shù)a的取值和/或增大參數(shù)b的取值，若(fx+fy)/2〈fo，則減小參數(shù)b的取值和/或增大參數(shù)a的取值；T 2為設(shè)定的閾值參數(shù)。作為優(yōu)選，參數(shù)a的取值范圍為2 mm〈 a〈15_，參數(shù)13的取值范圍為2_〈13〈15_，且0.25〈a/b〈4。
[0014]在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，所述減振系統(tǒng)的有限元模型包括平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)、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(jù)四個(gè)參數(shù)取值及橡膠減振器整體尺寸的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出橡膠減振器的旋轉(zhuǎn)截面；
[0016]步驟(2.2)選取四節(jié)點(diǎn)平面單元對(duì)減振器旋轉(zhuǎn)截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0017]步驟(2.3)由橡膠減振器旋轉(zhuǎn)截面上的平面單元繞旋轉(zhuǎn)軸拉伸生成六面體單元，進(jìn)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(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)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(guò)螺栓有限元模型分別與平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的有限元模型及剛性基座的有限元模型連接，形成整個(gè)減振系統(tǒng)的有限元模型。
[0020]作為優(yōu)選，所述減振系統(tǒng)包括8個(gè)橡膠減振器，在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)上、下表面各布置4個(gè)橡膠減振器。
[0021]有益效果:本發(fā)明的基于有限元法的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法，避免了大量試驗(yàn)樣件的制備，節(jié)約設(shè)計(jì)成本；同時(shí)有限元分析較試驗(yàn)分析耗時(shí)短，前者對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)周期更短。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是橡膠減振器及其旋轉(zhuǎn)截面示意圖；(a)為減振器立體圖，(b)為旋轉(zhuǎn)截面；
[0023]圖2是基于有限元法的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法流程圖；
[0024]圖3是橡膠減振器的橡膠環(huán)旋轉(zhuǎn)截面示意圖；
[0025]圖4是減振系統(tǒng)有限元模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)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(zhuǎn)截面示意圖。本實(shí)施例中的橡膠減震器由兩段硬鋁環(huán)和中間的橡膠環(huán)組成，其中硬鋁的材料參數(shù)為:彈性模量為72GPa，密度為3100kg/m3，泊松比為0.33，阻尼系數(shù)為0.001;其中橡膠的材料參數(shù)為:彈性模量為IMPa，密度為960kg/m3，泊松比為0.49，阻尼系數(shù)為0.2。
[0028]本例中平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的質(zhì)量為10kg。設(shè)計(jì)目標(biāo)為:減振系統(tǒng)在正交坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸方向上線振動(dòng)固有頻率(f X、f y、f z )之間的差別不超過(guò)3Hz，f X、f y、f Z與減振系統(tǒng)線振動(dòng)固有頻率的設(shè)計(jì)目標(biāo)值fo = 80Hz之差不超過(guò)1.5Hz。本實(shí)施例中相關(guān)計(jì)算結(jié)果基于上述設(shè)定的參數(shù)和目標(biāo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可知雖在不同的應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)值上會(huì)有不同，但不影響本發(fā)明的整體設(shè)計(jì)思路。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種基于有限元法的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三向等剛度橡膠減振器設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟:
[0030]步驟(I)、將橡膠環(huán)旋轉(zhuǎn)截面設(shè)計(jì)為一平行四邊形，對(duì)橡膠減振器進(jìn)行參數(shù)化建模:參數(shù)a和參數(shù)b分別為平行四邊形兩個(gè)邊長(zhǎng)，參數(shù)m為平行四邊形的靠旋轉(zhuǎn)軸一個(gè)內(nèi)角，參數(shù)η為平行四邊形與水平面的夾角(如圖3)，各參數(shù)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(jù)四個(gè)參數(shù)的取值，建立橡膠減振器系統(tǒng)的有限元模型，本例中減振系統(tǒng)包括平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)、螺栓、橡膠減震器和剛性基座，如圖4所示，相應(yīng)的有限元模型包括建立平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)、螺栓、橡膠減震器、剛性基座在內(nèi)的減振系統(tǒng)有限元模型；該減振系統(tǒng)共包含8個(gè)橡膠減振器，在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)上、下表面各布置4個(gè)橡膠減振器，這8個(gè)減振器的位置分別關(guān)于過(guò)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)心的三個(gè)相互正交的平面對(duì)稱。對(duì)于其它形式的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可參考本例的建立方法根據(jù)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jù)四個(gè)參數(shù)取值及橡膠減振器整體尺寸的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出橡膠減振器的旋轉(zhuǎn)截面；
[0033]步驟(2.2)、選取四節(jié)點(diǎn)平面單元對(duì)減振器旋轉(zhuǎn)截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0034]步驟(2.3)、由橡膠減振器旋轉(zhuǎn)截面上的平面單元繞旋轉(zhuǎn)軸拉伸生成六面體單元，進(jìn)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(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)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(gè)橡膠減振器的有限元模型通過(guò)螺栓有限元模型分別與平臺(tái)式慣