0.   引言

由于飞机在飞行时，光学载荷也在随之运动，当飞机突然加速或者减速时，由于惯性的作用载荷会受到加速度等约束的冲击，对设备或结构会产生破坏性的影响，特别是超过设备的允许范围，会减少设备的使用寿命。因此，对设备引入隔振系统，减少各种约束对设备的冲击，阻断振动的路径。特别是相机组件，如果对振动敏感，会影响相机的成像质量，造成图像模糊、扭曲等^[1]。

在众多减震器中，钢丝绳减震器以其非线性的特性而闻名，其具有低固有频率、良好的干摩擦特性，大变形刚度软化，宽频隔振，耐高低温，可以承受剪切、横滚和拉压载荷，兼顾了弹性支撑元件隔振，并且成本低，安装方便^[2]，广泛应用于车载、航空航天、舰载等领域^[3-4]。

目前，常用的减震器为橡胶减震器，但其容易受温度、环境和化学溶剂的影响，导致减震器性能降低。橡胶老化，容易松弛，使用寿命短。针对橡胶减震器的不足，国内很多学者对钢丝绳减震器做出诸多研究，如张春晖等人^[5]设计一种带球形导向结构的钢丝绳减震器，解决横滚和剪切时的受力不均。王平^[6]分析一种带钢丝绳减震器的风机系统，利用有限元来研究风机的抗震性能。

本文设计一种适用于大负载（一种相对的含义，光学负载一般都是100 kg以内，本文应用的光学负载为120 kg）结构的钢丝绳减震器，通过钢丝绳的伸缩变化减少内部结构组件所承受的缓冲力，增加结构的使用寿命。

1.   钢丝绳减震器的理论分析

根据振动力学表述，钢丝绳减振系统的动力学模型的一般表达式为：

式中：x(0)＝x₀，ẋ(0)=ẋ₀为初始位移和初始加速度；ẍ、ẋ、x是系统的输入，分别表示为加速度、速度、位移；m、c、k是系统的参数，分别表示系统的质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵；f(t)表示系统的外激励，是系统的输入量。

系统的输入不同，研究内容会有所差别。当f(t)＝0时，系统做自由振动，其仅靠本身的弹性恢复力“自由地”振动，其振动的特性仅决定于系统本身的物理特性（质量和刚度）；当f(t)≠0时，系统做受迫振动或自激振动。所谓的受迫振动就是指系统受到外接持续的激励作用从而“被迫地”进行振动，其振动的特性不仅和本身物理特性有关，还受到激励特性影响。在工程中，大部分的运动都属于受迫振动。所谓的自激振动，是指系统自身控制的激励作用下发生的振动。本文主要考虑在自然情况下的实际运动。

这里以单自由度系统为例，对钢丝绳减震器分析，其结构原理如图 1所示。

图  1  单自由度系统钢丝绳减震器的结构简化模型

Figure  1.  Simplified structural model of single-degree-of-freedom system wire rope shock absorber

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对方程(1)化简为无量纲方程，即：

式中：σ＝c/(2m)，表示衰减系数；$f=\sqrt{\boldsymbol k / \boldsymbol m} / 2 \pi$，表示圆频率，F(t)＝f(t)/m，表示激励函数。

钢丝绳的阻尼我们不过多考虑，因为钢丝绳本身就具有良好的阻尼特性，通过调整钢丝绳的圈数、压板宽度、弯曲半径等多方面因数，来控制钢丝绳刚度k，从而设计一种适用于大负载的钢丝绳减震器，并让其圆频率f符合挂载的频率范围。

2.   钢丝绳减震器的设计

传统的钢丝绳减震器只考虑其承重的能力，而没有从其结构形式、适用范围等方面考虑，如图 2所示。而本文提出一种的新型钢丝绳减震器，结构合理规范，适用于一类大负载光学载荷，且采用向心（设备的质心）的结构形式，这样有利于彼此之间解耦，避免出现应力集中。

图  2  传统的钢丝绳减震器

Figure  2.  Traditional wireline shock absorbers

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基于此，根据负载需求，设计一种新的钢丝绳减震器，它由上压板、下压板、向心压板、钢丝绳以及锁扣共5部分组成，结构如图 3所示。钢丝绳采用对称的结构形式贯穿于两对压板之间，利用螺钉将钢丝绳固定，其原理是压缩钢丝绳的变形量，对负载实施减振缓冲效果。

图  3  钢丝绳减震器的结构模型

Figure  3.  Structural model of wire rope shock absorber

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钢丝绳减震器主要受钢丝绳的股数、压板宽度、贯穿孔的孔距、钢丝绳的弯曲半径以及加工的误差等多方面误差的影响。这里我们设定压板宽度为10 mm，锁扣长度为7 mm，钢丝绳直径为4 mm，压板孔距为10 mm，钢丝绳的弯曲半径为15 mm（要在钢丝绳的弯曲半径范围内，一般是钢丝绳直径的1.5~2.5倍）。

3.   钢丝绳减震器的拉伸试验

利用拉伸试验机对减震器做拉伸试验，从而确定减震器的刚度。分别对直径为4 mm、5 mm、6 mm钢丝绳做3个方向的拉伸（X、Y、Z），结果见图 4所示，从而可以确定3个方向的刚度，见表 1。从图 4中可以得出，无论是X、Y、Z哪个方向，初始阶段曲线斜率（即刚度k）陡然增加，随着拉伸（或压缩）的距离逐渐增加的时候，曲线斜率的增幅逐渐减弱，这符合钢丝绳减震器这一运动状态。且从表 1中的计算结果表明，钢丝绳的3个方向的刚度近似符合K_x: K_y: K_z＝1:1:3，与参考文献[7-8]对钢丝绳减震器静态加载试验描述一致，并为钢丝绳的仿真计算提供刚度参数。

图  4  不同钢丝绳直径的力与位移曲线

Figure  4.  Force versus displacement curves for different rope diameters

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表  1  不同钢丝绳的直径的刚度系数

Table  1.  Stiffness coefficient of different wire rope diameters

	Kx	Ky	Kz
6 mm	206.2	184.6	952.7
5 mm	123.7	119.9	399.8
4 mm	60.1	58.8	185.6

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4.   带负载的钢丝绳减震器系统分析

根据给定的钢丝绳参数，加工出实物模型，将其应用到120 kg光学机构负载上，光学负载减振系统如图 5所示，在分析时通常都将负载作为集中质量施加在结构的质心中。减震器一共四组，采用组内对称排列，组外均布排列，且每一个均指向质心，如图 6所示。

图  5  光学负载减震系统

Figure  5.  Optical load damping system

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图  6  减震器的均布排列

Figure  6.  Uniform arrangement of shock absorbers

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4.1   模型有限元建模

利用建模软件UG NX10.0对钢丝绳减震器建模，在不影响结构的条件下适当对模型简化。由于模型结构无明显过薄结构，在有限元网格划分中，为了保证仿真结果的准确性，将升降板以及过渡连接板一并加入到分析模型中，且光学负载质量以集中质量的方式加入模型中（位于质心处），其中减振器的设置采用BUSH单元分析，网格采用3D十节点四面体实体单元进行网格划分^[9]。该有限元模型见图 7，结构划分单元数量为506218个，节点数为801704个。

图  7  减震器系统的有限元模型

Figure  7.  Finite element model of shock absorber system

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4.2   材料的选择

选择减震器和其他结构件的材料时需要考虑承重效果和整体强度。铝合金材料具有良好的加工工艺性，可用车、磨等机械工艺进行加工^[10]。此外铝合金材料在轻量化设计方面有着得天独厚的优点，由于升降板体积较大，考虑加工质量、成本等多方面因素，所以选择铝合金作为其主要材料。而减震器和过渡件起着承重的作用，且对材料的抗弯与抗拉性能有着更高的要求。由于不锈钢具有耐腐蚀性能、较高的硬度，因此选择不锈钢作为减震器和过渡件的主要材料。材料属性见表 2所示。

表  2  材料参数

Table  2.  Material parameters

Materials	Elastic modulus/GPa	Poisson's ratio	Density/(kg/m3)
Aluminium alloy	71	0.33	2770
Stainless steel	193	0.31	7750

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4.3   静力学分析

升降板、减震器以及过渡件在实际工作状态下，它们起着承重的作用，所以要考虑自身的重力问题，分析其变形情况及其应力分布情况。

根据结构的安装形式，在有限元分析时，对升降板底面施加固定约束，将质量点集中加在4个过渡板正中间的底部位置，使其与实际工况边界条件一致。

在条件约束下，整体结构的变形云图和应力云图如图 8所示，框架的最大变形量3 mm，出现在过渡梁的中间的边缘位置，满足结构承重要求；最大应力为34.3 MPa，位于过渡梁底端与减震器的接触位置，应力值在材料许用应力范围内。

图  8  带负载的静力学分析结果

Figure  8.  Static analysis results with load

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4.4   模态分析

模态分析是分析整体结构动力学特性的有效方法，其通过计算分析得到结构的模态参数，包括各阶相应的频率、振型、刚度等参数，对结构优化设计，避开共振。

对结构分析了前六阶模态，云图见图 9，模态分析结果见表 3。从模态分析可以确定，第三阶振型与实际最为接近，频率为9.81 Hz。根据给定指标，直升机的中转轴转速400转/分，共有4个桨叶，所以其频率为27.3 Hz，其实际振型频率满足光学载荷指标要求，避免共振。

图  9  带负载的前六阶模态云图

Figure  9.  First six order modal cloud diagrams with load

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表  3  带负载结构的模态分析结果

Table  3.  Modal analysis results of loaded structures

Modal order	Natural frequency/Hz	Mode description
1	4.25	Rotate around X axis
2	4.25	Second order bending in the XZ plane
3	9.81	Stretch along the Z axis
4	35.35	First order bending in XZ plane
5	37.37	Stretch along Y axis
6	37.38	Stretch along the X axis

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5.   结论

本文设计了一种适用于大负载的钢丝绳减震器，并将相应的组件以及减震器进行有限元建模，对该结构进行了静力学分析和模态分析。分析结果表明，在120 kg负载的情况下，最大的变形量为3 mm，最大应力为34.3 MPa，实际模态的振型频率为9.81 Hz，以上参数都满足指标需求。利用拉伸试验计算刚度为结构组件仿真提供更加真实可靠的依据，同时验证该减震器适用于大负载，为以后设计提供了一定参考价值。