光学瞄具硬涂层阻尼减振的动力学仿真分析.pdf

长春理工大学学报（自然科学版）Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）Vol.46No.2Apr.2023第46卷第2期2023年4月孙熙函，等：光学瞄具硬涂层阻尼减振的动力学仿真分析收稿日期：2022-09-25基金项目：中国兵工 208 研究所横向委托项目（KYC-XZ-XM-2012-2013）作者简介：孙熙函（1997-），女，硕士研究生，E-mail：通讯作者：石利霞（1975-），女，博士，副教授，E-mail：光学瞄具硬涂层阻尼减振的动力学仿真分析孙熙函1，石利霞1，王劲松1，2，王奕博3，孟志4（1.长春理工大学光电工程学院，长春130022；2.长春理工大学中山研究院，中山528437；3.四川大学机械工程学院，成都610065；4.31693 部队，哈尔滨150036）摘要：振动环境下光学瞄具的成像精度和可靠性会受到严重的影响，为提高光学瞄具的可靠性，修正成像精度，提出了一种硬涂层阻尼减振技术。将硬涂层 NiCoCrAlY+YSZ 单侧涂敷于镜筒上，涂敷厚度为 200 mm，振动工况模拟为光学瞄具固定在直升机舱门处的枪械上。基于有限元分析方法对涂敷硬涂层前后的结构进行模态分析和随机振动分析，对比研究发现，涂敷硬涂层阻尼后光学瞄具的一阶频率由未涂敷前的 58.3 Hz 提高到 92.2 Hz；涂敷硬涂层阻尼后随机振动得到的3区间的应力值降低了 25.6%；X、Y、Z三个方向的位移响应峰值相较于涂敷前分别降低了74.7%、75.3%、78.7%，达到了减振的目的。关键词：光学瞄具；硬涂层阻尼减振；模态分析；随机振动中图分类号：TH745文献标志码：A文章编号：1672-9870（2023）02-0032-07Dynamic Analysis of Hard-Coating Damping andVibration Reduction for Optical SightsSUN Xihan1，SHI Lixia1，WANG Jinsong1，2，WANG Yibo3，MENG Zhi4（1.School of Opto-Electronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Zhongshan Institute of Changchun University of Science and Technology，Zhongshan 528437；3.School of Mechanical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065；4.Troops 31693，Harbin 150036）Abstract：The imaging accuracy and reliability of the optical sight under vibration environment will be seriously affected.Inorder to improve the reliability of the optical sight and correct the imaging precision，a hard-coating damping vibration re-duction technology is proposed.The hard coating NiCoCrAlY+YSZ is coated on the lens barrel on one side，the coatingthickness is 200 mm，and the vibration condition is simulated as the optical sight fixed on the firearm at the helicopter door.Based on the finite element analysis method，the modal analysis and random vibration analysis of the structure before andafter coating the hard coating were carried out.It is found that the first-order frequency of optical sight after hard coatingdamping is increased from 58.3 Hz to 92.2 Hz.The stress value of3interval obtained by random vibration after coatinghard coating damping decreased by 25.6%.The peak displacement response inX，YandZdirections decreased by 74.7%，75.3%and 78.7%，respectively compared with that before coating，thus achieving the purpose of vibration reduction.Key words：optical sights；hard-coating damping vibration reduction；modal analysis；random vibration现代战争中，光学瞄具在武器装备中的作用越来越重要，能大大提高武器的远程射击命中精度，但光学瞄具一般工作环境比较恶劣，如运输途中的颠簸和碰撞，机载、舰载、车载等工况下的随机振动，枪炮射击时的冲击振动等都会对光学瞄具的结构强度可靠性和射击精度产生影响。目前在军事领域中对光学瞄具采用的减振方式，最广泛且有效的是将连接装置、主被动隔振装置联合，建立稳瞄系统。成刚等人1在研究比较了橡胶减振器以及金属三向减振器的功能和原理后得出：金属三向减振器对于航空设备在实际工况中所承受的振动能得到更好的减振效果。王春阳等人2进行了基于线性自抗扰控制的改进控制方法研究，对机载稳瞄平台的设计有指导作用。费国标等人3基于响应面法对红外瞄具及其减振系统进行参数优化，提出减振结构设计的优化路线。杨艳妮4针对直升机载环境特点，基于减振理论，讨论了减振设计的要点。张兴迪等人5针对轻型榴弹发射器上的光学瞄具，设计了一种采用两级减振的高效双重减震缓冲机构。以上方法都需要外加结构，增加了重量以及体积，因此考虑到便携性、小型化、轻量化，提出一种新的减振方式硬涂层阻尼减振，目前关于硬涂层阻尼减振技术的研究主要集中在航空航天领域，对重武器、轻武器方面相关研究很少6-10。以直升机载光学瞄具的服役工况为例，通过有限元分析的方法研究硬涂层阻尼减振。光学瞄具通过支架及皮卡汀尼导轨与枪械连接，直升机行进间所产生的振动传递到光学瞄具，镜筒中光学元件同样会受到振动影响。因枪械固定在直升机舱底部，所以振动源主要来自于主旋翼，随着振动传递效果的逐渐累加，若外界的振动频率接近光学瞄具结构的固有频率时，极易出现共振，使得光轴发生偏转，瞄准精度降低，甚至对结构产生破坏。此方法也适用于射击振动、车载振动以及船舶振动等诸多振动环境下的精密仪器硬涂层阻尼减振的动力学分析，为后续减振优化提供了理论基础。研究的振动环境可推广为射击振动、车载振动以及船舶振动等诸多情况，为硬涂层参数优化、光学瞄具新兴材料减振技术研究提供一定的理论指导。1硬涂层阻尼减振设计硬涂层材料作为热障和耐磨材料已在各工程领域得到广泛应用。它由金属基或陶瓷基制备而成，近年来的研究发现，将硬涂层材料应用于结构件表面之上，能够有效地减振降噪，许多高校已经展开了相关研究。现有研究表明在结构件表面涂敷硬涂层材料会改变结构件的固有频率、提高结构件的模态阻尼、降低共振响应，最终达到阻尼减振的作用，且已经得到了学术界公认11-12。根据科研、工程等不同要求，通常需要选择不同的硬涂层材料来进行涂敷，以达到理想的效果，应用较多的有 NiCrAlY 涂层、Mg合金涂层、ZrO2涂层、FeCrMo 涂层、AlCuFeCr 等，制备时通常采用等离子喷涂（APS）或物理气相沉积（PVD）将其涂敷在基体上13。硬涂层的阻尼特性以及力学特性在高温工作环境下的变化微小，其附着在结构件表面增加的厚度小、质量轻，对光学瞄具整体质量影响非常小，满足轻量化要求。1.1硬涂层阻尼减振机理国内外大多数学者认为硬涂层内部微观结构的摩擦耗能是其减振特性的来源13。其原理是通过涂层内部摩擦或界面摩擦，将外部的激振能量在复合结构发生弯曲变形时转化为热能或变形能，使激振能量不断消耗，实现振动控制。硬涂层颗粒嵌在由裂缝和孔隙组成的网格中，能够移动并相互滑过。部分学者认为涂层与其附着的基底之间由于存在力学性能的不同，因此在外界振动环境下两者之间的接触表面将产生不同变形，这种变形域的差异影响着孙熙函，等：光学瞄具硬涂层阻尼减振的动力学仿真分析第2期33长春理工大学学报（自然科学版）2023年时域，使相位差角增大，阻尼性能也相应增强。涂层与其附着的基底之间出现的新的接触面所带来的滑动摩擦也使得阻尼能力提高，起到硬涂层减振的作用。硬涂层阻尼力学性能主要受涂层厚度、损耗因子、涂层与基底的弹性模量差等工艺参数的影响，这为后续进行硬涂层参数优化提供了研究方向，找到一个最佳的硬涂层工艺参数区间，既满足刚度、强度需要，也能达到轻量化的目的，避免材料浪费。1.2光学瞄具结构及减振设计以某型变倍光学瞄具为例，通过三维建模软件绘制出光学瞄具的装配体，为下一步有限元分析提供了输入模型。其由目镜组、物镜组、转像组、变焦凸轮机构、俯仰手轮、倍率调节环、灯源、分划板等组成，整体结构示意图如图 1 所示。光学瞄具多数采用 6061-T6 铝合金外壳，其生产加工成本相对较低，民用光学瞄具中较为常见，而钛合金、铟刚则在军用光学瞄具中被作为结构材料。图 1光学瞄具结构示意图表面进行的阳极氧化处理，能够避免外壳进一步氧化，使得表面耐磨、耐腐蚀。研究的硬涂层与阳极氧化不同，其抗摩擦、耐高温、抗腐蚀的同时还具有阻尼减振的作用，能够降低外界振动对光学瞄具的影响。在对光学瞄具进行减振设计时，首先明确硬涂层材料选定为 NiCoCrAlY+YSZ，通常硬涂层的制备主要采用物理气相沉积或等离子喷涂技术，考虑到工程、生产应用实际，最终确定对光学瞄具的物镜框、镜筒、目镜框进行单侧涂敷，硬涂层材料特性参数如表 1 所示，涂敷厚度为200 mm。表 1硬涂层材料特性参数材料名称NiCoCrAlY+YSZ密度/（kg/m3）5 600弹性模量/GPa54.494泊松比0.30损耗因子0.021 22有限元仿真分析2.1模型前处理将三维模型简化后导入有限元分析软件，在此只重点关注硬涂层涂敷处的情况，因此去掉了俯仰手轮、灯源组件以及皮卡汀尼等影响较小的零部件，整个变倍光学瞄具结构主要由 ULE玻璃及钛合金外壳结构组成，在 Engineering Date中添加所需要的材料，并给相应的结构分配对应的材料。使用到的光学和机械材料的属性如表 2 所示。表 2光学瞄具材料特性参数材料名称钛合金ULE玻璃密度/（kg/m3）4 4302 205杨氏模量/MPa114 00067 000泊松比0.310.18为了使建立的有限元模型可以更加真实地反映实际工况，需要根据实体模型的真实情况定义边界条件：主要采用 Bond 和 No separation 接触。由于硬涂层的厚度比较薄，在进行仿真分析时对于硬涂层部分选用壳体单元 Sheel181，壳体的厚度可以认为是涂敷的硬涂层厚度，厚度定义为 200 mm，赋予光学瞄具外侧表面，如图 2（a）所示。在对光学瞄具的有限元模型进行网格划分