激光陀螺捷联惯组减振系统设计及其动力学特性研究

论文摘要

本论文以弹载捷联惯性测量组合(IMU)的研制任务为背景,针对某型机械抖动激光陀螺捷联惯组采取轻小型化设计、减振设计、减重设计带来的安装结构刚度不足,导致减振系统谐振频率容易出现在激光陀螺的机械抖动频率附近以及其它需要减振频率段下的问题,设计了激光捷联惯性测量组合的减振系统以合理提高惯性器件的安装刚度,并对其动力学特性进行系统的研究。首先阐述了激光陀螺的抖动工作原理、振动控制基本原理以及激光陀螺捷联惯组减振结构的布局要求。通过将激光捷联惯组减振系统简化为三自由度角振动系统,采用仿真的方法,分析并讨论减振系统基础结构和共基座子结构的惯量比、频率比和阻尼变化对激光陀螺抖动幅度的影响,得出了与陀螺共基座的子系统频率比对激光陀螺抖动影响较大的结论。并结合工程实际对激光陀螺捷联惯组减振系统的设计提出具体的要求,给出了包括减振系统在内的激光捷联惯组的主体结构设计形式。论文采用模态分析方法,借助ANSYS作为有限元分析工具,获得激光惯组减振系统的主要振型,检查激光惯组的激光陀螺安装结构刚度设计是否做到了避免与陀螺机械抖动、陀螺输出轴扭歪等高频运动产生谐振,减振系统固有频率设计是否符合隔振基本原理;同时对激光捷联惯组减振系统进行了有限元谐响应分析计算,证明该减振系统的角频率特性满足控制系统相关要求;为了验证在冲击载荷下减振系统的位移是否会超出结构设计的所允许的间隙,对惯组结构中的减振系统、上下盖板等刚度较低的环节进行了模态分析和瞬态动力学分析;最后通过随机振动实验、角振动实验、冲击实验和振动导航实验验证了激光陀螺捷联惯组减振系统符合使用力学环境条件和控制系统提出的相关要求的情况。实验结果说明激光陀螺减振系统的结构设计合理。通过随机振动、角振动实验结果与仿真计算结果的对比,验证了本文采取的基于ANSYS有限元动力学仿真分析的减振系统设计及其动力学分析技术途径可行,设计结果正确。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 惯性技术对激光陀螺及激光惯导的需求
• 1.1.2 课题的提出
• 1.2 激光陀螺捷联惯组减振系统国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.2.3 振动控制理论
• 1.2.4 有限元法及其应用软件
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 激光陀螺捷联惯组减振系统的设计
• 2.1 机抖式激光陀螺抖动工作原理
• 2.1.1 激光陀螺工作原理
• 2.1.2 激光陀螺的闭锁效应和抖动偏频
• 2.1.3 激光陀螺的抖动机构与抖动控制电路
• 2.2 减振基本原理与激光惯组减振系统组成
• 2.2.1 减振基本原理
• 2.2.2 激光惯组减振系统组成
• 2.3 弹载激光陀螺捷联惯组减振系统布局要求
• 2.3.1 忽略阻尼时的合理布局
• 2.3.2 阻尼不可忽略时的布局要求
• 2.3.3 考虑飞行过载的布局要求
• 2.4 减振系统对陀螺机抖的影响分析
• 2.4.1 三自由度角振动系统模型
• 2.4.2 分析方法与流程
• 2.4.3 参数设定及对应的分析结果
• 2.5 减振系统设计方案
• 2.5.1 减振系统设计要求
• 2.5.2 减振系统设计方案
• 2.6 本章小结
• 第三章 激光陀螺捷联惯组减振系统的模态分析
• 3.1 模态分析理论
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 模态坐标与模态参数
• 3.1.3 基于ANSYS的模态分析方法
• 3.2 激光惯组减振系统模态分析
• 3.2.1 三维模型
• 3.2.2 有限元建模
• 3.2.3 边界条件处理
• 3.3 模态分析结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 激光陀螺捷联惯组减振系统谐响应和瞬态动力学分析
• 4.1 激光陀螺捷联惯组减振结构的谐响应分析
• 4.1.1 谐响应分析基础理论
• 4.1.2 激励的施加
• 4.1.3 谐响应分析结果与讨论
• 4.2 激光陀螺捷联惯组减振系统的瞬态动力学分析
• 4.2.1 瞬态动力学分析理论基础
• 4.2.2 基于ANSYS的瞬态动力学求解方法
• 4.2.3 冲击响应分析结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 激光陀螺捷联惯组减振系统实验
• 5.1 随机振动实验及结果分析
• 5.1.1 随机振动实验系统
• 5.1.2 小台体振动响应情况
• 5.2 减振器角振动实验及结果分析
• 5.3 冲击实验及结果分析
• 5.4 振动导航实验情况
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文