某红外相机稳定平台框架结构设计与分析

李全超，谭淞年，李 蕾，张洪伟

某红外相机稳定平台框架结构设计与分析

李全超，谭淞年，李 蕾，张洪伟

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

针对某红外相机稳定平台，设计了两轴两框架的结构形式。对相机关键支撑结构件照准架进行了较为详细的结构设计和分析研究。照准架采用一体式半封闭结构，提高了照准架的自身结构刚度，同时避免了大尺寸面的加工变形以及装调问题。建立了照准架的三维模型，并进行了6重力、常温和－20℃均匀温降工况下的静力学分析和模态分析研究。分析结果显示，照准架的最大变形为0.706mm，最大应力为47.33MPa；1阶模态为53.2Hz，均满足设计指标。利用有限元软件为红外系统照准架的设计可行性提供了理论依据。

红外相机；稳定平台；照准架；结构设计；有限元分析

0 引言

作为航空侦察的主要方式之一，机载光电平台在军事和民用等诸多领域得到了广泛应用，具有侦察、导航以及快速捕获、跟踪、瞄准运动目标的功能[1]。随着世界对军事要求水平的不断提高，对平台的轻量化、跟踪精度以及稳定精度提出了更高的要求。为了解决上述问题获得比较清晰的图像，不断引入了多种技术，诸如在平台与载机连接之间加入减震措施和引入电子稳像技术等手段[2]。此外除了补偿措施，稳定平台框架自身的结构性能对于获得清晰的图像也是至关重要的。鉴于复杂多变的航空环境，对稳定平台的外形尺寸以及重量均设定了严格的要求[3]。

本文主要为某红外相机设计支撑框架结构，外部支撑框架的结构刚度和强度直接决定内部相机的成像质量。借助有限元分析软件，对所设计的外部支撑框架照准架进行静力学分析和模态分析，以此校验其结构刚度以及强度，为红外相机支撑框架的设计提供了理论依据。

1 照准架的结构设计

所涉及的红外相机主要作方位与俯仰方向上的摆扫运动，为此设计的框架结构为两轴两框架形式，根据实际相机载荷的尺寸对支撑结构进行了初步设计，具体原理图及三维图见图1。照准架是实现相机俯仰-方位模式的关键支撑部件[4]。为了便于照准架的安装调试方便，将其设计为分体式结构，由位于上端的方位电机座和照准架组合而成来实现相机的摆扫运[5]。方位电机座与照准架之间通过过渡轴，由销钉和螺钉进行连接。照准架的刚度、强度以及热稳定性，均会直接影响到整机的刚度和转动性能。

图1 稳定平台

支撑组件的核心部件为照准架，如图2所示为设计的照准架三维图。考虑到装机要求，在保证照准架结构刚度的前提下要尽可能减小其外部尺寸和质量。鉴于光学系统是一定的，需要在内部相机支撑框架主镜筒确定之后来确定照准架外形。

图2 照准架三维图

由于光学尺寸较大，不可避免的导致支撑结构尺寸的增大，通过照准架的内凹设计，将探测器的位置避开，使保护球罩的外形尺寸从1044mm降低到910mm，而球罩翘起部分嵌入到照准架中，不影响外部尺寸。照准架上端设计成一体式半封闭结构，内部加筋强化结构刚度，避免了大尺寸面加工的变形与装调问题，同时提高了照准架的自身结构强度。

照准架借助与方位电机座的连接来实现±90°的方位摆扫运动。俯仰方向设计为双力矩电机驱动模式，两悬臂俯仰轴孔镶嵌钛合金（TC4）轴承套以安装轴承。防尺外界环境的温度变化造成轴承抱死，最终确定的照准架外形尺寸为910mm×736mm×990mm。

2 照准架的有限元分析

2.1 有限元分析理论

2.1.1 静力学分析理论

在载荷作用下，弹性体内部任意一点的应力可通过6个应力分量、、、、、来表示，其中、、代表正应力；、、代表切应力[6]。应力分量矩阵()见下式：

同理，弹性体内部任一点的应变亦可通过6个应变分量、、、、、来表示，其中、、代表正应变；、、为剪应变。应变分量矩阵()见下式：

弹性体内任一点的位移可通过直角坐标系的3个分量、、表示，矩阵()为：

则位移和应变之间的关系如下：

式中：()代表几何矩阵；(e)代表单元节点位移矩阵。应力与应变的关系如下式：

为材料的弹性模量，为材料的泊松比。则式(5)中的弹性矩阵()的表达式如下：

根据虚功原理，建立单元刚度方程如式(7)所示，它反映了单元节点力与位移之间的关系：

式中：(e)代表单元节点矩阵；(e)代表单元刚度矩阵。由各个单元刚度方程综合得到整体刚度方程，进行整体结构分析，得：

式中：()代表整体节点载荷矩阵；()代表整体刚度矩阵；()代表整体节点位移矩阵。通过方程(8)的求解，得到节点位移。根据节点位移，带入到式(4)和式(6)中计算应力和应变。

2.1.2 模态分析理论

由于结构的阻尼作用对其模态频率和振型的影响很小[7]，可以忽略，模态分析的实质即是求解自由度数目有限的无阻尼及无载荷作用下运动方程的模态矢量，那么系统在无阻尼下的自由振动方程矩阵形式为：

对线性结构系统，式(9)中，[]、[]为实数对称矩阵，方程含有下面简谐运动形式的解，具体如下：

式中：{(,,)}代表位移矢量的幅值，定义了位移矢量{}的空间分布；ω代表简谐运动的角频率。将式(10)带入到式(9)中，可得：

式(11)在任意时刻均成立，故可简化为：

式(12)是典型实特征值问题，{}有非零解的前提是其系数行列式的值为零，即为：

式中：＝ω2。求解式(13)可以得到一组离散根（＝1,2,…,），将式(13)带入到式(12)中得到对应矢量{φ}（＝1,2,…,），使得下式成立：

＝1,2,…,(14)

式中：称为结构系统的第个特征值，称{φ}为对应的第个特征矢量。

2.2 模型有限元建模

利用建模软件UG NX8.0对照准架进行建模，在不影响结果精度的前提下适当对模型进行简化。考虑到实际工作条件下照准架中间由主镜筒进行支撑，其对照准架变形尺寸影响较大，在分析的时候只比对变形的大小，利用中空的圆柱将两悬臂进行连接。对两种情况下的照准架进行网格划分，鉴于模型尺寸较大，单元属性选择CTETRA（10）。两种情况下的模型网格划分情况见图3，照准架结构的单元数量分别为64274个和75264个，节点数分别为128718个和150258个。

图3 照准架网格划分

2.3 材料选择

由于整机对质量的限定有着严格的要求，在保证整机强度的前提下选择照准架的结构材料[8]。铝合金材料具有良好的加工工艺性，可以利用现有的加工工艺，如车、铣、磨等对相应的机械零件进行加工，使铝合金材料易于成型的优点得到充分发挥[9]。此外，铝合金材料在轻量化设计方面表现优异，可充分对其进行轻量化设计。由于本文所设计的照准架尺寸较大，考虑到质量、成本、加工工艺等要求，选择铝合金材料6061作为照准架的主材料。该材料的屈服强度和抗拉强度分别为276MPa和310MPa，其余主要参数性能见表1。

表1 铝合金6061参数表

2.4 静力学分析

照准架主要实现方位的转动，同时为内部相机载荷的俯仰运动提供支撑，其结构稳定性直接干系到红外相机的成像质量，需要对结构件进行强度校核和变形情况分析，以检验设计是否能满足工程需要[10-11]。根据红外相机的实际使用工况，主要分为常温和－20℃环境。考虑到装机要求，对照准架施加6重力加速度及相关载荷约束，施加边界条件后的有限元模型如图4所示。

图4 照准架的有限元模型

照准架使用过程中，通过渡轴与方位电机座进行连接，限制照准架与过渡轴连接部位的自由度，为两悬臂孔施加内部载荷作用力。分别对两种工况下的有限元模型进行工程分析，得到照准架的变形云图和应力云图分别如图5和图6所示。

图5 照准架常温分析结果

图6 照准架－20℃均匀温降分析结果

由分析仿真结果可知，常温条件下的最大变形产生在照准架来两对称悬臂的最下端，为0.504mm，最大应力产生在照准架与过渡轴连接的加强筋部位附近，为26.98MPa，远小于材料的屈服强度。施加－20℃均匀温降工况下，照准架的最大变形同样产生在悬臂最下端，为0.706mm，较常温工况下有稍微的增加，最大应力产生在与过渡轴连接的部位附近，为47.33MPa，远小于材料的屈服强度。经过分析，两种情况下的变形和应力情况，均满足设计要求，表明照准架工作状态稳定性良好。

2.5 模态分析

模态分析是研究部件动力学特性的有效方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构件的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[12-13]。如若部件的固有频率和信号频率相同或者接近，将会使部件的振动扩大，进一步使传递到相机载荷上的作用力加大。这个作用力增大效果会传递给任意一个配对部件，最终会形成一个振动系统，直接干系到系统的动态特性。造成系统的不稳定。通过合理的优化结构，提高部件的机械谐振频率，避免与载机产生共振。需要对两悬臂无连接状态下的照准架进行模态分析，照准架的前4阶模态云图如图7所示。

图7 照准架前4阶振型图

照准架的模态分析结果如表2所示，低阶模态直接反应方位框架的刚度特性。由分析结果可知照准架基频为53.2Hz。将相机剩余部件等效成一个质量块，经过分析得到相机频率为29.6Hz，两种结果均明显高于稳定平台控制系统带宽及载机频率4.7Hz，避免了共振的产生，提高了相机的抗干扰能力。

表2 照准架前4阶模态分析结果

3 结论

针对某两轴两框架红外相机稳定平台照准架，进行了较为详细的结构设计，并建立了有限元仿真模型，分别对模型进行了常温以及－20℃均匀温降工况下的静力学分析和模态分析。分析结果表明：所设计的照准架在6重力、常温工况下的最大变形和应力分别为0.504mm、26.98MPa；照准架在6重力、－20℃工况下的最大变形和应力分别为0.706mm、47.33MPa。照准架的1阶固有频率为53.2Hz，满足控制带宽要求。

[1] 贾平, 张葆. 航空光电侦察平台关键技术及其发展[J]. 光学精密工程, 2003, 11(1): 82-88.

JIA Ping, ZHANG Bao. Critical technologies and their development for airborne opto-electronic reconnaissance platforms[J]., 2003, 11(1): 82-88.

[2] 徐钰蕾, 王昱棠, 张宇鹏. 机载光电平台内框架结构预测[J]. 仪器仪表学报, 2014, 35(S1): 73-76.

XU Yulei, WANG Yutang, ZHANG Yupeng. Structure prediction of inner-gimbal in airborne opto-electric platform[J]., 2014, 35(S1): 73-76.

[3] 尹远. 轻型光电稳定平台结构设计[J]. 机械设计与制造, 2011, 4: 47-49.

YIN Yuan. Design of the light electro-optical stabilized platform[J]., 2011, 4: 47-49.

[4] 王智. 基于碳纤维复合材料的月基极紫外相机照准架结构设计[J]. 中国光学, 2012, 5(6): 590-595.

WANG Zhi. Design of collimation frame structure for lunar-based extreme ultraviolet camera based on carbon fiber reinforced plastics[J]., 2012, 5(6): 590-595.

[5] 程志峰. 无人机载光电平台升降结构设计与分析[J]. 仪器仪表学报, 2014, 35(S1): 95-98.

CHENG Zhifeng. Design of ascending and descending structure of photoelectric platform of UAV[J]., 2014, 35(S1): 95-98.

[6] 龙凯, 贾长治, 李宝峰, 等. Patran2010与Nastran2010从入门到精通[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

LONG Kai, JIA Changzhi, LI Baofeng, et al.20102010[M]. Beijing: China Machine Press, 2013.

[7] 曹妍妍, 赵登峰. 有限元模态分析理论及其应用[J]. 机械工程与自动化, 2007, 1: 73-74.

CAO Yanyan, ZHAO Dengfeng. Finite element modal analysis theory and application[J]., 2007, 1: 73-74.

[8] 王晶东, 于化东, 李妍. 小型无人机载光电稳定平台框架结构研究[J]. 机械科学与技术, 2014, 33(10): 1602-1608.

WANG Jingdong, YU Huadong, LI Yan. Research on the frame structure of small opto-electronic stabilized platform assembled on a UAV[J]., 2014, 33(10): 1602-1608.

[9] 范磊, 赵勇志, 曹玉岩. 红外离轴系统金属反射镜设计与分析[J]. 红外技术, 2015, 37(5): 374-379.

FAN Lei, ZHAO Yongzhi, CAO Yuyan. Design and analysis of metal mirror for infrared off-axial system[J]., 2015, 37(5): 374-379.

[10] 王平, 张国玉, 刘家燕, 等. 机载光电平台内框架拓扑优化设计[J]. 机械工程学报, 2014, 50(13): 135-141.

WANG Ping, ZHANG Guoyu, LIU Jiayan, et al. Topology optimization design for inner frame of airborne electro-optical platform[J]., 2014, 50(13): 135-141.

[11] 刘佳燕. 记载光电平台风阻分析[J]. 长春理工大学学报:自然科学版, 2011, 34(2): 80-83.

LIU Jiayan. Drag analysis of airborne photoelectric platforms[J].:, 2011, 34(2): 80-83.

[12] 甘至宏, 张葆, 撖芃芃. 机载光电稳定平台框架结构工程分析[J]. 光学精密工程, 2008, 16(12): 2441-2446.

GAN Zhinghong, ZHANG Bao, KAN Pengpeng. Engineering analysis of airborne optoelectronic platform frame structure[J]., 2008, 16(12): 2441-2446.

[13] 宋冬生, 杨远成, 高雅, 等. 某稳瞄转塔结构的有限元模态分析与试验验证[J]. 应用光学, 2015, 36(4): 497-502.

SONG Dongsheng, YANG Yuancheng, GAO Ya, et al. FEM modal analysis and test validation for sight-stabilization turret structure[J]., 2015, 36(4): 497-502.

Design and Analysis of Gimbal-structure in an Infrared Camera Stabilized Platform

LI Quanchao，TAN Songnian，LI Lei，ZHANG Hongwei

(,,,,130033,)

A structure of two axes and two frameworks is designed for an infrared-camera stabilized platform. A more detailed structural design and analysis are conducted for sight frame of the camera key support structure. An integrated semi-enclosed structure is used in the sight frame to improve its own structural rigidity, while avoiding the machining deformation and alignment problems of large surface. An azimuth-sweep range of ±90° is achieved, with dual motor drive in pitch direction. A three-dimensional model of sight frame is established, and conditions of the 6gravity, temperature and－20℃ uniform of temperature drop are conducted for static and modal analysis. The results show that the maximum deformation of sight frame is 0.706mm, the maximum stress is 47.33MPa, and 1 order modal shapes is 53.2Hz, which all meet the design specification. The use of finite element software provides a theoretical basis for the design feasibility of sight frame of an infrared sighting system.

infrared camera，stabilized platform，sight frame，structure design，finite element analysis

V243.5

A

1001-8891(2016)09-0728-05

2016-02-01；

2016-03-11.

李全超（1988-），硕士，研究实习员，主要从事光机结构设计与分析方面的工作。E-mail：liquanchao-love@163.com。

国家自然科学基金青年科学基金项目（61405192）；中国科学院国防科技创新基金项目（CXJJ-15S158）。