一种航空遥感器动力学环境试验工装的设计与分析

田海英，聂品，董斌，李海星，史磊

（中国科学院 航空光学成像与测量重点实验室；中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

动力学环境试验是航空遥感器研制工作的重要组成部分，其目的主要是验证遥感器设计方案的正确性，考核遥感器是否能承受可能遇到的动力学环境；暴露遥感器在材料、元器件选择和制造装配中可能存在隐藏的缺陷，尽量减少它的早期失效率，提高工作可靠性。

作为遥感器与振动台连接的桥梁，动力学环境试验工装不仅要有很好的刚度与强度，还应该如实地将振动台的振动特性传递给遥感器，夹具性能的好坏直接影响到振动试验的真实程度和可靠程度。

1 航空遥感器振动工装结构设计

振动工装是将振动台与遥感器连接起来的重要环节，是振动试验的传力部件，它把振动台的运动传递给遥感器，使遥感器在规定的振动量级下得到考验。如果振动工装选择不当，在试验频率范围内工装本身将产生共振，使遥感器承受不应有的过大载荷而破坏，从而使试验得到错误的结果，甚至会造成遥感器结构损坏。因此，合理地设计航空遥感器振动工装是遥感器结构研制过程中一项极其重要的工作。

为了避免振动试验时航空遥感器和工装之间产生耦合振动，航空遥感器振动工装固有频率要高，一般要高于试件频率的3～5倍，并且工装的连接面上各点响应要一致，以确保振动输入的均匀性。

根据振动工装系统要求和基本要求设计的工装简图如图1所示。

图1 某航空遥感器振动工装Fig.1 The test fixture of the aerial remote sensor

（1）工装的安装

振动工装通过工装底面上的螺钉孔与振动台连接，遥感器通过其两侧的4个吊耳利用减震器与振动工装固定在一起，从而实现了振动工装、遥感器的6个自由度的全部约束。工装的4个角点设置吊点，安装吊环螺钉，在工装安装时可利用四个吊环螺钉起吊。

（2）大型空间遥感器振动工装结构设计

考虑到在振动过程中减震器会有一定程度的位移，工装的外形应比遥感器稍大。工装采用中空设计，并用加强筋板连接，在侧壁上设计减重孔，增加刚度的同时，也减轻了重量。

（3）振动工装的工艺性

振动工装采用铸件，材料选用阻尼特性好的ZL305材料。工装采用中空设计，外部设计有加强筋，结构厚度比较均匀，大大提高了浇铸的工艺性。同时尽量减少工装的加工表面，仅加工工装的底面、工装与减振器的接触面及工装安装光孔处，工装提高了加工工艺性。

（4）遥感器的安装

由于航空遥感器与载机连接采用吊装方式，为模拟真实的力学环境，遥感器安装在工装上时也采用采用吊装方式。

2 振动工装的仿真分析

设计完成后对振动工装进行工程分析验证，由于工装结构比较均匀，无明显过薄结构，因此统一采用四面体单元划分，网格划分过程中应尽量使单元大小均匀，保证网格的协调性要求。该工装采用自动和手动划分网格相结合的方法，根据精度的需要在安装孔连接处用手动划分网格的形式进行网格的细化。整个框架共划分274727个单元，73222个节点，有限元模型如图2所示。

图2 振动工装有限元模型Fig.2 FEM of the fixture

利用patran对振动工装进行分析得到分析结果如表1所示，其一阶模态云图分别如图3所示。

表1 有限元模态分析结果Tab.1 Modal analysis result of the fixture

图3 振动工装一阶模态云图Fig.3 The first modal nephogram of the fixture

由分析可知，振动工装的一阶模态为104.78Hz，遥感器安装减震系统后频率为23Hz左右，工装一阶固有频率为遥感器的4.6倍，满足设计要求。

3 试验验证

3.1 工装正弦扫描试验

振动试验中，振动响应谱中振幅最大处的频率即为工装的固有频率。按照例试和振动试验量级，对工装进行正弦扫描振动试验，测试图片如图4所示。

图4 振动工装测试Fig.4 The vibration test of the fixture

测得其一阶固有频率为82.3Hz，与仿真分析结果有一定误差，主要原因是由于工装采用铸造方式制造，为了缩短周期，降低成本，只对安装接口等部位进行加工处理，因此实际工装壁厚等尺寸与设计值不符；另外，建模时对工装进行了适当的简化，也可能影响最后结果。

3.2 工装振动传递率的测试

图5 工装振动实验结果Fig.5 The test result of the fixture

振动工装传递率指某方向振动实际输出量值与输入量值之比。振动工装最理想设计结果是传递率为1，即工装可以将振动台施加的振动1：1地传递给遥感器，既不放大也不衰减。

为测试振动工装的传递率，将遥感器安装在振动工装上进行振动试验，在遥感器吊耳及振动工装设置测试点，获得的测试曲线如图5所示。

振动激励的RMS值为9.2g，工装测试点的振动响应RMS值为10.3g，试验结果表明，工装的传递率为1.12，满足工装设计要求。

4 结论

航空遥感器振动试验是航空遥感器研制过程中不可或缺的过程之一，而振动工装的设计则是顺利完成振动试验的关键环节。本文探讨了航空遥感器振动工装设计中应注意的问题，设计了某航空遥感器的振动工装，并对其进行工程分析和振动试验验证，试验结果表明，该振动工装振动传递率为1.12，满足使用要求。

［1］方同，郭璞.振动理论及应用［M］.西安：西北工业大学出版社，2000.

［2］KLEE B J，KIMBALL D V，TUSIN W. 振动、冲击试验夹具设计［M］.强度与环境编辑组，1979.

［3］刘习军，贾启芬，张文德.工程振动与测试技术［M］.天津：天津大学出版社，1999.

［4］赵蕴懿，时兆峰，吴有泉.有限元分析方法在振动工装设计中的应用［J］.航天制造技术，2006（3）：36-37.