專(zhuān)利名稱(chēng)：一種航天用傳感器減振抗沖方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于振動(dòng)控制工程領(lǐng)域，特別是涉及一種針對(duì)航天用傳感器產(chǎn)品在力學(xué)環(huán)境下減振抗沖兼容的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，沖擊和振動(dòng)在絕大多數(shù)情況下是有害的，會(huì)影響結(jié)構(gòu)、設(shè)備及整個(gè)系統(tǒng)的工作性能和壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使產(chǎn)品或系統(tǒng)功能失效甚至造成破壞。隨著航天運(yùn)載及武器型號(hào)的發(fā)展，相當(dāng)數(shù)量的航天用傳感器產(chǎn)品要求承受惡劣的力學(xué)環(huán)境條件，這給設(shè)計(jì)工作提出了更高、更苛刻的要求?，F(xiàn)有的航天用傳感器減振抗沖的設(shè)計(jì)方法，對(duì)振動(dòng)和沖擊理解不深刻，反映到具體設(shè)計(jì)中不能針對(duì)問(wèn)題實(shí)質(zhì)加以解決，只知道要在設(shè)計(jì)中引入減振抗沖設(shè)計(jì)，如何引入還掌握不深刻，某些減振抗沖設(shè)計(jì)并未給產(chǎn)品帶來(lái)什么好處，甚至影響產(chǎn)品的性能。還有的觀點(diǎn)認(rèn)為減振和抗沖無(wú)法兼顧，他們認(rèn)為只要激勵(lì)頻率是減振系統(tǒng)固有頻率的1. 414倍以上即能實(shí)現(xiàn)減振的效果，而對(duì)抗沖而言，則抗沖系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)該更低，這就要求抗沖系統(tǒng)具有更大的彈性變形能力以便把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，再緩慢釋放，這將會(huì)影響到整個(gè)產(chǎn)品的穩(wěn)定性要求等其他性能，甚至?xí)a(chǎn)生二次碰撞等問(wèn)題。同時(shí)，由于對(duì)減振抗沖材料的了解不夠，設(shè)計(jì)選型時(shí)材料選擇不當(dāng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種航天用傳感器產(chǎn)品在力學(xué)環(huán)境下減振和抗沖兼容的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，一種航天用傳感器減振抗沖方法，包括以下步驟(1)分析振源，確定振動(dòng)試驗(yàn)中表征隨機(jī)振動(dòng)總能量的加速度總均方根值gMS，確定沖擊試驗(yàn)中沖擊響應(yīng)譜的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值以及該頻率值對(duì)應(yīng)的輸入激勵(lì)的幅值；(2)根據(jù)步驟(1)沖擊試驗(yàn)中沖擊響應(yīng)譜的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值和傳感器產(chǎn)品信號(hào)帶寬，確定減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍；(3)根據(jù)步驟(1)確定的加速度總均方根值gMS的大小，設(shè)定傳感器和輸入激勵(lì)在步驟( 的傳感器固有頻率f處發(fā)生共振時(shí)的放大系數(shù)，當(dāng)加速度總均方根值gMS ^ 6g時(shí)， 放大系數(shù)控制在Q = 1-2 ；當(dāng)加速度總均方根值g s < 6g時(shí)，放大系數(shù)控制在Q = 3-5 ；(4)根據(jù)步驟(3)的放大系數(shù)Q確定減振抗沖材料的阻尼系數(shù)ζ，ζ = 1/2Q ；(5)根據(jù)步驟(2)計(jì)算出的傳感器固有頻率f，通過(guò)有限元分析軟件估算減振抗沖材料的剛度k，確定減振抗沖材料的形狀、數(shù)目及布置形式。在所述步驟( 后還包括驗(yàn)證步驟，即通過(guò)減振前后振動(dòng)的比值或抗沖前后沖擊的比值來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。所述步驟2中，減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍為大于傳感器產(chǎn)品信號(hào)帶寬的2倍，而且在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值的0. 2-0. 4倍之間。所述步驟5中，進(jìn)行系統(tǒng)剛度的估算時(shí)，采用ANSYS有限元分析軟件模擬仿真來(lái)完成。本發(fā)明方法的原理是1.從沖擊方面看，為了減小對(duì)產(chǎn)品的損害，設(shè)計(jì)抗沖時(shí)應(yīng)使整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率足夠低(不影響產(chǎn)品的測(cè)量信號(hào)帶寬)，衰減高頻分量的影響，使傳遞率遠(yuǎn)小于1，故材料剛度的估算是抗沖的重點(diǎn)；從振動(dòng)方面看，要求設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮共振時(shí)放大系數(shù)的影響，由于振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，若放大系數(shù)過(guò)大，會(huì)將放大的輸入激勵(lì)幅值(該放大的程度有可能是產(chǎn)品自身無(wú)法承受的)長(zhǎng)時(shí)間作用在產(chǎn)品上，會(huì)造成產(chǎn)品的損害，材料阻尼系數(shù)決定放大系數(shù)的大小，故材料阻尼系數(shù)的選取是減振的重點(diǎn)。2.在振源分析方面，重點(diǎn)有兩個(gè)一是確定振動(dòng)試驗(yàn)中表征隨機(jī)振動(dòng)總能量的加速度總均方根值g s，其值是譜密度曲線下的總面積的開(kāi)方，它是表征隨機(jī)振動(dòng)總能量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)；二是確定沖擊試驗(yàn)中沖擊響應(yīng)譜的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值，它可簡(jiǎn)單看作外部輸入激勵(lì)的頻率，只有外部激勵(lì)頻率是減振抗沖系統(tǒng)固有頻率的1.414倍以上時(shí)，減振抗沖設(shè)計(jì)才能發(fā)生作用。確定減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率對(duì)于減振和抗沖來(lái)說(shuō)，固有頻率越低，減振和抗沖的效率越高，當(dāng)然，這是在不影響產(chǎn)品信號(hào)帶寬的前提下，固有頻率盡量低；同時(shí)對(duì)于抗沖而言，固有頻率越低，最大位移則越大，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮給抗沖材料形變留有足夠的有效空間。由于只有外部激勵(lì)頻率是減振抗沖系統(tǒng)固有頻率的1. 414倍以上時(shí)，減振抗沖設(shè)計(jì)才能發(fā)生作用，因此可大致計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率的范圍，再把產(chǎn)品測(cè)量信號(hào)帶寬考慮進(jìn)來(lái)(保證帶寬內(nèi)信號(hào)無(wú)失真的傳遞)，便能將固有頻率的范圍再次縮小到適合的程度。3.減振抗沖材料阻尼的選取振動(dòng)和沖擊是多種頻率分量的集合，而減振抗沖系統(tǒng)的固有頻率是單一的，它必將包含在輸入激勵(lì)頻率的范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生共振的情況，而共振時(shí)對(duì)振幅的限制要求即對(duì)放大系數(shù)的控制取決于減振抗沖材料的阻尼系數(shù)。對(duì)于沖擊來(lái)說(shuō)，抗沖材料的阻尼越小，整個(gè)系統(tǒng)固有頻率點(diǎn)附近的放大系數(shù)越大， 高頻段的衰減越大，并且沖擊是在極短時(shí)間內(nèi)包含所有頻率成分的激勵(lì)的集合，從能量的角度講，只要高頻段有明顯的衰減，就能有效的降低沖擊能量的大小，從我們?cè)囼?yàn)驗(yàn)證上來(lái)看，放大系數(shù)控制在10以?xún)?nèi)是可接受的。對(duì)于振動(dòng)來(lái)說(shuō)，固有頻率點(diǎn)附近的放大系數(shù)越大，則傳遞給產(chǎn)品的最大加速度值也越大，而航天用傳感器產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間一般以分鐘為單位，這不同于沖擊試驗(yàn)是在極短時(shí)間內(nèi)(毫秒級(jí)甚至微妙級(jí))完成，故產(chǎn)品在其固有頻率點(diǎn)附近將較長(zhǎng)時(shí)間承受大于輸入加速度的激勵(lì)，這對(duì)產(chǎn)品是不利的，如何選取合適阻尼系數(shù)的減振材料，使放大系數(shù)在可接受范圍，這是減振設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵所在，一般較為理想的放大系數(shù)為 3 5，但對(duì)于不能承受較大輸入加速度的產(chǎn)品其進(jìn)行減振設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將放大系數(shù)控制在1 2。對(duì)于減振和抗沖兼容設(shè)計(jì)考慮時(shí)，應(yīng)使材料阻尼系數(shù)在首先滿足減振的前提下， 再使材料的剛度足夠小，最大程度降低整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率，以滿足抗沖的條件。4.估算減振抗沖材料的剛度根據(jù)系統(tǒng)固有頻率，能估算出主要方向上的剛度，初步確定抗沖材料的類(lèi)型、數(shù)目及布置形式，這一部分在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要大量的查閱、篩選、前期設(shè)計(jì)和模擬仿真工作；對(duì)沖擊而言，整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率是一個(gè)特別關(guān)鍵的參數(shù)， 而其又是主要由抗沖材料的剛度決定，所以抗沖材料的剛度的設(shè)計(jì)估算是至關(guān)重要。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明同時(shí)考慮了航天用傳感器在力學(xué)環(huán)境下的減振和抗沖的兼容，通過(guò)分析振源、確定減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍、確定減振抗沖材料的阻尼系數(shù)、剛度，并確定減振抗沖材料的形狀、數(shù)目及布置形式，有效實(shí)現(xiàn)了航天用傳感器的減振和抗沖，保證產(chǎn)品在力學(xué)環(huán)境下性能穩(wěn)定。2.本發(fā)明針對(duì)減振和抗沖無(wú)法兼顧這一設(shè)計(jì)難點(diǎn)，提出了平衡考慮、兼容設(shè)計(jì)的思路，首先滿足減振的要求，選取合適的減振抗沖材料阻尼使放大系數(shù)控制在可控范圍內(nèi)， 其次最大程度降低整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率，減小系統(tǒng)的傳遞率，以滿足抗沖的要求。


圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的沖擊條件圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的隨機(jī)振動(dòng)條件圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本實(shí)施例為針對(duì)某航天用傳感器的減振抗沖方法設(shè)計(jì)，其流程圖如圖1所示。包括分析振源；確定減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍；設(shè)定傳感器和輸入激勵(lì)在傳感器固有頻率f處發(fā)生共振的放大系數(shù)Q ；確定減振抗沖材料的阻尼系數(shù)ζ ； 以及通過(guò)有限元分析軟件估算減振抗沖材料的剛度k ；確定減振抗沖材料的形狀、數(shù)目及布置形式等步驟。如圖2、3所示，為本實(shí)施例中針對(duì)某航天用傳感器的沖擊試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件。首先，分析振源，本實(shí)施例中，沖擊響應(yīng)譜的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值=600Hz，該頻率值對(duì)應(yīng)的輸入激勵(lì)的幅值為5000g，給定的表征隨機(jī)振動(dòng)總能量的加速度總均方根值gMS =38. 3g。在不影響產(chǎn)品信號(hào)帶寬的前提下，減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)盡量低；同時(shí)對(duì)于抗沖而言，固有頻率越低，最大位移則越大，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮給抗沖材料形變留有足夠的有效空間。因此，本發(fā)明中，減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍選擇為大于傳感器產(chǎn)品信號(hào)帶寬的2倍，而且在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值的 0. 2-0. 4倍之間。本實(shí)施例中，沖擊響應(yīng)譜的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值為600Hz，因此減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f在120 240Hz之間。同時(shí)，考慮到本實(shí)施例中產(chǎn)品的信號(hào)帶寬為80Hz，為保證帶寬內(nèi)信號(hào)無(wú)失真的傳遞，我們將振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率設(shè)計(jì)為高于80Hz的2倍以上，即大于160Hz，因此，本實(shí)施例中，系統(tǒng)的固有頻率在160 240Hz之間。根據(jù)加速度總均方根值g s的大小，設(shè)定本發(fā)明傳感器和輸入激勵(lì)在傳感器固有CN 102538854 A頻率f處發(fā)生共振的放大系數(shù)Q，當(dāng)加速度總均方根值g s ^ 6g時(shí)，放大系數(shù)Q = 1-2 ；當(dāng)加速度總均方根值g s < 6g時(shí)，放大系數(shù)Q = 3-5。本實(shí)施例中，加速度總均方根值g s = 38. 3g，因此設(shè)定放大系數(shù)Q = 1-2。減振抗沖材料的阻尼系數(shù)ζ = 1/2Q。本實(shí)施例中，減振抗沖材料的阻尼系數(shù)ζ =0. 5 0. 25之間。根據(jù)減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f，采用ANSYS有限元分析軟件估算減振抗沖材料的剛度k，確定減振抗沖材料的形狀、數(shù)目及布置形式。本實(shí)施例中，估算減振抗沖材料的剛度k = 500N/mm，減振抗沖材料的形狀為正方形，數(shù)目為M個(gè)，在傳感器的六個(gè)方向分別布置4個(gè)。最后需實(shí)際驗(yàn)證本發(fā)明的可行性。對(duì)于抗沖設(shè)計(jì)的最佳驗(yàn)證方法是用模裝件比較抗沖設(shè)計(jì)加載前后在沖擊臺(tái)面上從安裝在產(chǎn)品某控制點(diǎn)處的傳感器上采集到實(shí)際的沖擊信號(hào)譜圖，若傳遞率遠(yuǎn)小于1，則抗沖設(shè)計(jì)起到了應(yīng)有的效果；對(duì)于減振設(shè)計(jì)的最佳驗(yàn)證方法是通過(guò)掃頻試驗(yàn)，測(cè)試出加入減振后產(chǎn)品的固有頻率及放大系數(shù)，以驗(yàn)證是否符合前期的設(shè)計(jì)要求，符合后用模裝件根據(jù)振動(dòng)條件在振動(dòng)臺(tái)上比較加入減振設(shè)計(jì)前后振動(dòng)量級(jí)的比值，若傳遞率遠(yuǎn)小于1，則減振設(shè)計(jì)起到了應(yīng)有的效果。本實(shí)施例針對(duì)該傳感器產(chǎn)品在振動(dòng)臺(tái)上掃頻的結(jié)果為系統(tǒng)固有頻率230Hz，固有頻率點(diǎn)處放大系數(shù)約為1. 3，與設(shè)計(jì)基本吻合，后經(jīng)實(shí)際振動(dòng)和沖擊條件加載試驗(yàn)，減振抗沖設(shè)計(jì)的效果良好，傳遞率均遠(yuǎn)小于1，產(chǎn)品工作正常，滿足用戶(hù)的要求。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明所作的詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明具體實(shí)施僅限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，對(duì)本發(fā)明的各組成部件、位置關(guān)系及連接方式在不改變其功能的情況下，進(jìn)行的等效變換或替代，也落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明未公開(kāi)的技術(shù)屬本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種航天用傳感器減振抗沖方法，其特征在于包括以下步驟(1)分析振源，確定振動(dòng)試驗(yàn)中表征隨機(jī)振動(dòng)總能量的加速度總均方根值g s，確定沖擊試驗(yàn)中沖擊響應(yīng)譜的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值以及該頻率值對(duì)應(yīng)的輸入激勵(lì)的幅值；(2)根據(jù)步驟(1)沖擊試驗(yàn)中沖擊響應(yīng)譜的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值和傳感器產(chǎn)品信號(hào)帶寬，確定減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍；(3)根據(jù)步驟(1)確定的加速度總均方根值gMS的大小，設(shè)定傳感器和輸入激勵(lì)在步驟 2的傳感器固有頻率f處發(fā)生共振時(shí)的放大系數(shù)，當(dāng)加速度總均方根值g s ^ 6g時(shí)，放大系數(shù)控制在Q = 1-2 ；當(dāng)加速度總均方根值g s < 6g時(shí)，放大系數(shù)控制在Q = 3-5 ； (4)根據(jù)步驟(3)的放大系數(shù)Q確定減振抗沖材料的阻尼系數(shù)ζ，ζ= 1/2Q；(5)根據(jù)步驟( 計(jì)算出的傳感器固有頻率f，通過(guò)有限元分析軟件估算減振抗沖材料的剛度k，確定減振抗沖材料的形狀、數(shù)目及布置形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種航天用傳感器減振抗沖方法，其特征在于在所述步驟(5) 后還包括驗(yàn)證步驟，即通過(guò)減振前后振動(dòng)的比值或抗沖前后沖擊的比值來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種航天用傳感器減振抗沖方法，其特征在于所述步驟O) 中，減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍為大于傳感器產(chǎn)品信號(hào)帶寬的 2倍，而且在轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率值的0. 2-0. 4倍之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種航天用傳感器減振抗沖方法，其特征在于所述步驟(5) 中，進(jìn)行系統(tǒng)剛度的估算時(shí)，采用ANSYS有限元分析軟件模擬仿真來(lái)完成。
全文摘要
本發(fā)明的一種航天用傳感器減振抗沖方法，步驟包括分析振源；確定減振抗沖材料和傳感器組成的系統(tǒng)的固有頻率f的范圍；設(shè)定傳感器和輸入激勵(lì)在傳感器固有頻率f處發(fā)生共振的放大系數(shù)Q；確定減振抗沖材料的阻尼系數(shù)ζ；以及通過(guò)有限元分析軟件估算減振抗沖材料的剛度k，確定減振抗沖材料的形狀、數(shù)目及布置形式等步驟。本發(fā)明同時(shí)考慮了航天用傳感器在力學(xué)環(huán)境下的減振和抗沖的兼容，首先滿足減振的要求，選取合適的減振抗沖材料阻尼使放大系數(shù)控制在可控范圍內(nèi)，其次最大程度降低整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率，減小系統(tǒng)的傳遞率，以滿足抗沖的要求，有效實(shí)現(xiàn)了航天用傳感器的減振和抗沖，保證了產(chǎn)品在航天力學(xué)環(huán)境下的性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)G01D11/10GK102538854SQ20111046091
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者劉爾靜, 劉海濤, 汪守利, 滕綱 申請(qǐng)人:北京遙測(cè)技術(shù)研究所, 航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司