周视观察镜设备结构减振优化设计方法

摘要

本发明公开一种周视观察镜设备结构减振优化设计方法，步骤为：1）获取观察镜设备材料参数与工况参数，分析计算观察镜光轴两端点允许的最大相对偏移角度；2）运用三维建模软件建立周视观察镜三维模型，导入有限元仿真分析软件，生成几何模型；3）建立有限元仿真分析模型；4）读取应力最大值部位的应力值与坐标以及观察镜光轴两端点的位移值与坐标；5）针对有限元分析模型，在设备安装面边界条件上设置不同的阻尼系数；重复步骤4；6）重复步骤3～5；在光轴偏转角度不超过允许值的条件下，将应力最大值最接近材料屈服强度时的阻尼系数与观察镜设备本体结构模型作为周视观察镜设备最优减振设计方案。

说明书

技术领域

本发明属于车载探测器设备设计技术领域，具体地说涉及一种在极端工况下的周视观察镜设备结构减振优化设计方法。

背景技术

车载探测器如周视观察镜设备的探测工况恶劣，振动条件复杂，冲击多，其探测精度、结构可靠性受工况因素影响大。针对周视观察镜设备所主要面临的振动、冲击问题，传统的方法主要采用增强结构的刚性保证结构刚性化、安装减振器以减少振动和冲击对设备的危害、采用粘弹性阻尼减振材料进行减振等方式来消除振动、冲击对车载探测器的危害。

目前，国外先进视观察镜设备较为广泛地使用了各类减振设计和主被动减振技术来保证探测器的高性能工作指标。国内的视观察镜设备通过测绘仿制和自主研发，具备了基本的侦测功能。但在视观察镜设备性能的保障方面，特别是应用在车载探测器上的周视观察镜设备的结构调频减振技术上的研究还很少。

当前我国周视观察镜设备产品抗振技术研究主要采用结构强度校核方法进行设计，以样件试验进行考核，通过反复的设计→试验→设计循环来实现产品抗振性能的达标。优化设计方向不明确，导致新产品研制周期漫长。同时，由于缺乏先进抗振分析技术的应用，造成产品抗振性能虽然合格，但安全裕度不合理，以至于我国周视观察镜设备的探测范围和精度等关键指标上落后于国外先进水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在极端工况下的周视观察镜设备结构减振优化设计方法，在于通过有限元抗振性能分析技术的应用，在设计阶段实现探测器设备的动态性能预测，减少设计人员以往基于经验而非科学原理设计产品的盲目性，降低样件试验考核成本，明显缩短研制周期。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种周视观察镜设备结构减振优化设计方法，该减振优化设计方法的步骤为：

1）、获取观察镜设备材料参数与工况参数，分析计算观察镜光轴两端点允许的最大相对偏移角度；

2）、运用三维建模软件建立周视观察镜三维模型，并将三维模型导入有限元仿真分析软件，生成相应的几何模型；

3）、建立有限元仿真分析模型，先进行结构模态分析，提取观察镜前30阶固有频率；模拟观察镜设备在振动、冲击工况下的动态响应；

4）、读取观察镜设备有限元分析结果应力最大值部位的应力值与坐标以及观察镜光轴两端点的位移值与坐标；

5）、针对观察镜设备有限元分析模型，在设备安装面边界条件上设置不同的阻尼系数；重复步骤4，进行不同阻尼系数条件下的振动、冲击工况动态响应仿真分析；

6）、根据有限元仿真分析结果，将应力最大值与材料屈服强度作对比；由光轴两端点位移与坐标值计算两端点的相对偏移角度，并与许用最大偏转角度作对比；

7）、应力最大值低于屈服强度时，按1mm间隔逐渐降低观察镜本体结构三维模型中的箱体壁厚，并在位移最大部位相应设置加强筋；

8）、将修改后的观察镜三维模型导入有限元软件，重复步骤3～5；在光轴偏转角度不超过允许值的条件下，将应力最大值最接近材料屈服强度时的阻尼系数与观察镜设备本体结构模型作为周视观察镜设备最优减振设计方案。

作为对上述技术方案的改进，在步骤1中，所述材料参数为密度、弹性模量、泊松比μ；所述工况参数为冲击载荷加速度、周期、振动频率范围、加速度。

作为对上述技术方案的改进，在步骤3中，所述观察镜设备在振动、冲击工况下的动态响应包括应力分布结果和位移分布结果。

与现有技术相比，本发明所取得有改进和有益效果是：

本发明的周视观察镜设备结构减振优化设计方法，通过有限元抗振性能分析技术的应用，在设计阶段实现周视观察镜的动态性能预测，减少设计人员以往基于经验而非科学原理设计产品的盲目性，降低样件试验考核成本，明显缩短研制周期。

通过结构调频减振技术与阻尼减振技术的综合应用，实现了周视观察镜本体结构的优化设计，在保证观察镜设备工作性能的基础上安全裕度更为合理。

以观察镜光轴两端点在冲击载荷作用下的相对偏转角度为约束条件进行设备的结构优化，增强了观察镜优化方案的合理性，有效保证周视观察镜的探测性能。

附图说明

图1为本发明的周视观察镜设备结构减振优化设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术作进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，

步骤1、获取观察镜设备材料参数与工况参数，有限元仿真分析所需参数如下表1、表2；包括：①材料参数：密度、弹性模量、泊松比μ；②工况参数：冲击载荷加速度、周期、振动频率范围、加速度。③观察镜光轴两端点允许的最大相对偏移角度为0.01°

表1材料参数

表2工况参数

步骤2、运用三维建模软件建立周视观察镜三维模型，并将三维模型导入有限元仿真分析软件，生成相应的几何模型。

步骤3、建立有限元仿真分析模型，选取光轴两端点即探测器物镜中心点C与光路转向组件中心点D为观察点。

先进行结构模态分析。对模型定义其特征模态分析步，提取观察镜前30阶固有频率，从dat文件查看分析结果：

查看模型质量表：

TOTALMASSOFMODEL

4.9513365E-03

可知模型总质量为4.95kg。

对系统提取的前5阶固有频率见表3所示。

表3特征系数表

由表3可知，所提取的系统最低固有频率为490.60Hz，固有频率不在扫频振动频率范围5Hz～200Hz内。

然后进行动态响应分析，模拟观察镜设备在振动、冲击工况下的动态响应，包括最大应力分布结果和最大位移分布结果，可见最大等效应力值为51.66MPa，综合位移最大值为0.09118mm。

输出两观察点C、D的位移动态响应曲线，可见物镜中心点C位移最大值发生在X方向，其值为-0.048mm，光路转向组件中心点D位移最大值发生在Y方向，值为-0.062mm。

步骤4、读取观察镜设备有限元分析结果云图中的应力最大值列于表4所示：

表4应力、位移最大值

由inp文件提取观察镜光轴两端点即观察点C、D的初始相对位移值为（0,0,201），受冲击后最大相对位移值如表5所示。并计算两点的相对偏移角度。

表5观察点C、D受冲击后的最大位移值

由表5两观察点相对偏移量计算得到点D相对点C的偏移角为：

步骤5、针对观察镜设备有限元分析模型，在安装面边界条件上设置不同的阻尼系数进行有限元分析，重复步骤4，进行不同阻尼系数条件下的振动、冲击工况动态响应仿真分析。

通过设置阻尼系数0.05、0.33、0.5，分别进行仿真得到不同阻尼系数下系统的最大等效应力、最大综合位移、观察点C与D的最大位移以及D相对C的偏移角度，如表所示。

表6不同阻尼系数下系统仿真结果值

步骤6：根据有限元仿真分析结果，将应力最大值与材料屈服强度作对比，均小于材料屈服强度95MPa；由光轴两端点位移与坐标值计算两端点的相对偏移角度，并与许用最大偏转角度作对比。

步骤7：应力最大值低于屈服强度时，按1mm间隔逐渐降低观察镜本体结构三维模型中的箱体壁厚，改变箱体本体结构。

步骤8：将修改后的观察镜三维模型导入有限元软件，重复步骤3～5。在光轴偏转角度不超过允许值的条件下，将应力最大值最接近材料屈服强度时的阻尼系数与观察镜设备箱体本体结构形式作为周视观察镜设备最优减振设计方案。

表7改变壁厚后的分析

由上表结果可知，通过不同壁厚与阻尼系数下的仿真结果对比，可见壁厚为10mm时，阻尼系数为0.5相对于0.33的时的系统最大等效应力、最大综合位移以及光轴两端点偏移角度降低不明显，箱体结构壁厚与阻尼系数最组合应为10mm，0.33。

总之，本发明专利通过有限元模拟周视观察镜在振动、冲击载荷工况下产生的系统最大应力以及观察点的最大位移量，结合结构调频减振与阻尼缓冲减振技术，同时改变周视观察镜本体壁厚与阻尼系数进行仿真分析，得到不同本体结构与阻尼系数下的系统最大应力值、探测器光轴两端点相对偏移角度，通过对这些数值的对比，实现箱体结构与阻尼系数的最优选择。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。