【摘要】本文针对捷联惯导系统振动影响精度的问题，提出了被动隔振测试系统，建立了捷联惯组被动隔振的等效模型，通过实验与ANSYS仿真分析，得到被动隔振测试系统有效的抑制了振动，对捷联惯导系统减振有一定的参考价值。
【关键词】捷联惯导;ANSYS;被动隔振
1.引言
随着科技的飞速发展，惯性导航系统被广泛应用于航空、航天、航海以及其他工业设计等领域内。特别是现代战争的发展，对于武器平台的精度打击、机动性、自我生存能力提出了更高的要求。惯性导航系统能够通过惯性装置自主提供运载体的加速度、速度、姿态等导航信息，不需要外界信息的介入，是一种真正意义上的自主导航系统[1]。
对于振动被动控制技术，人们早期研究的重点是减振、隔振的方法。随着动力学理论的发展以及材料科学与技术的发展，基于结构动力学和新材料、新结构的动力学和结构优化设计成为了新的研究方向。1928年，在动力减振器的基础上，J.Ormondry和J.P.DenHartog提出了阻力动力减振器，并建立了完整的动力调谐减振理论[2]。Snowdon描述了无阻尼悬臂梁共振时，联入减振器减小由梁的始端传到梁终端的激振力，用定点法确定了减振器的最佳参数设计。2009年，国防科技大学的庹洲慧等人对机抖激光陀螺的捷联惯性导航系统进行了减振结构设计，仿真分析了减振系统中减振器的布局方案，建立了减振系统的振动响应模型，并用有限元法获得了减振系统的模态频率和振型，用有限元分析验证了减振设计[3]。从20世纪初开始，以理想的刚性基础单层隔振系统为研究对象的经典隔振理论就已经得到了初步的发展，单层隔振是最基本的隔振措施，其隔振效果的评价标准为传递率[4]。单层隔振理论认为只要频率比就具有良好的隔振效果，并且频率越高，隔振效果就越好[5]。但是在大量的工程实际当中，单层隔振系统的高频隔振性能并不理想，且激振频率越高，理论与实际结果就会有越大的偏差。因此在结构的被动减振设计中，阻尼材料和阻尼元件的研制及阻尼机理研究至关重要。
2.系统组成
在工程设计当中，如果对被减振对象的隔振目的和设计准则缺乏了解，则会使系统的隔振效果不太理想，同时由于不同物体对隔振的要求都不同，因此要设计出一个最优的隔振系统是非常困难的。此外，被隔振设备的工作频段和其内部结构或工作环境的不断变化都增加了隔振系统设计的难度。针对不同的工程实际问题应该遵循不同的设计原则，捷联惯导系统是属于精密仪器设备，其隔振系统的设计既要能有效的减振，又不能产生附加的线振动和角振动，这样才能真正满足惯导系统高精度的要求。同时还应当满足以下要求：经济合理，成本低;通过合理的布置隔振器件的位置，能够使系统的质心与隔振器的总刚度在一条直线上，尽量避免振动耦合;隔振系统的单自由度设计;捷联惯组隔振后的最大振动响应满足振动幅值的要求。
针对以上设计原则，考虑捷联惯组的自身安装要求和动力学特性，对捷联惯导系统的隔振器的安装采用对称安装的设计方案，这样使整个隔振系统的安装结构上具有多个对称面，可以尽量减少振动的耦合。隔振系统原理图如图1所示，捷联惯组载体的振动（振源）引起安装支架的振动，在安装支架与捷联惯组之间的隔振器件吸收、隔离大部分安装支架传递来的振动，从而减小捷联惯组本身的共振，保护捷联惯组。
图1 被动隔振系统原理图
图2 捷联惯导系统被动隔振实验系统图
3.捷联惯导系统实验与仿真
对捷联惯导系统（如图3所示）在ACT2000振动台上进行测振实验。
图3 捷联惯组安装组件模型
在振动实验过程中，捷联惯导系统出现失效如图4所示。
图4 捷联惯组失效图
鉴于实验过程中捷联惯导系统出现失效，我们通过方针进行验证。
运用完全法对捷联惯组安装组件进行频率范围为100～3000Hz的谐波加载，通过分析可以得到，捷联惯组质心处的幅频特性曲线如图5所示。
从图5可以看到，曲线分别在358Hz、568Hz、870Hz、2342Hz处有峰值，说明捷联惯组质心在以上四个频率处的幅值最大，即发生共振，与实验结果基本一致。共振频率与捷联惯导系统安装组件的固有频率很接近。并且在568Hz、870Hz处的幅值明显比其他两个幅值大，这也说明了其中捷联惯导系统安装组件的第二、三阶模态对导航精度的影响较大。图6和图7分别给出了捷联惯导系统安装组件在568Hz和870Hz处发生共振时的Y轴方向的应力云图。
图5 捷联惯导系统质心处的谐响应幅频特性曲线
图6 安装组件在频率568Hz共振时Y轴应力云图
图7 安装组件在频率870Hz共振时Y轴应力云图
图8 正弦加载时惯组质心位移时间图
从图6和图7可以看出，在发生共振时，安装支架处的应力较大，说明在这些地方振动引起的变形较大，与实验中出现裂纹位置相符。
某装备的捷联惯导系统在运行过程中，承受约为20g的振动载荷，对导航精度有一定的影响。针对被动隔振系统和安装组件的二阶模态，仿真中对安装组件的支架两侧分别施加和等效激励，分析得到如图8的捷联惯组质心位移时间图。
4.捷联惯导系统被动隔振分析
捷联惯导被动隔振系统在捷联惯组与安装支架之间安装橡胶隔振器，振动过程中，橡胶隔振器吸收减小外界振动激励，从而减小振动的传递效率。选用硅橡胶材料的隔振器件，硅橡胶的材料参数为：弹性模量，泊松比，密度，另外还有两个常数和。采用的单元类型为具有超弹性的solid185单元，划分网格如图9所示。
图9 捷联惯导被动隔振模型网格图
对被动隔振系统的安装支架两侧同样施加正弦载荷，进行分析计算得到如图10的捷联惯组质心处的位移时间图。
图10 加载时质心的位移时间图
从图10与图8（a）对比分析可得，在被动隔振系统二阶共振频率处，施加相同的正弦载荷，被动隔振系统由于装入隔振器件后，隔振器件在振动过程中吸收外界振动激励，使惯组质心的振动幅值明显减小，最大振幅的减振幅度在22.2%。与实验结果基本相符。
5.结论
对捷联惯导系统进行振动试验，得到其应力集中点，通过ANSYS仿真进行验证。通过对捷联惯导系统增加隔振器件，进行正弦加载分析，被动隔振系统由于装入隔振器件后，隔振器件在振动过程中吸收外界振动激励，使惯组质心的振动幅值明显减小，最大振幅的减振幅度在22.2%。
参考文献
[1]庹州慧，胡德文，李如华，魏建仓.捷联惯导系统减振设计[J].中国惯性技术学报，2009，17（6）：648-650.
[2]Lawrence A.Modern inertial technology，navigation，guidance，and control.New York：Springer-Verlag Inc，1998.
[3]牟全臣，黄文虎，郑刚铁，王心清，张景绘.航天结构主、被动控制技术的研究现状和进展[J].应用力学学报，2009，18 （3）：18-35.
[4]姚建军，付继波，刘道静.捷联惯导系统振动耦合特性研究[J].战术导弹控制技术，2005，49（2）：55-58.
[5]李斌华.激光陀螺捷联惯组减振系统设计及其动力学特性研究[D].国防科学技术大学，2008.
作者简介：
郭崇武（1989—），男，山西临汾人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：测试计量技术及仪器。
郑宾，中北大学教授。