某型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

高有濤

某型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

高有濤

（華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國(guó)家研究中心，湖北 武漢 430223）

紅外熱像儀機(jī)械環(huán)境可靠性是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為重要的指標(biāo)之一。為保證紅外熱像儀能夠經(jīng)受服役的振動(dòng)環(huán)境，本文以某型紅外熱像儀故障閉環(huán)為契機(jī)開(kāi)展失效機(jī)理及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究?；趧?dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)紅外熱像儀有限元模型進(jìn)行修正。采用有限元數(shù)值方法和隨機(jī)振動(dòng)疲勞失效理論相結(jié)合對(duì)故障的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了推測(cè)。根據(jù)分析結(jié)果重新對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化并通過(guò)疲勞失效理論和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明故障定位準(zhǔn)確、提出的優(yōu)化改進(jìn)措施有效。本文的分析思路對(duì)單機(jī)傳感器設(shè)計(jì)或故障定位、結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)等具有一定參考意義。

紅外熱像儀；有限元方法；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)；隨機(jī)振動(dòng)；疲勞失效

0 引言

紅外熱像儀是一種利用物體紅外輻射特性區(qū)分物體表面溫度及熱量分布情況的熱成像設(shè)備。由于其成像原理是基于物體的紅外輻射而非可見(jiàn)光，從而克服了傳統(tǒng)光學(xué)儀器等受天氣、光照等的限制的不足，在軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)紅外熱像儀的成像質(zhì)量提出了更高的要求[4]。為滿足光電系統(tǒng)高分辨率、大視場(chǎng)的應(yīng)用需求，紅外熱像儀孔徑設(shè)計(jì)得越來(lái)越大，其重量也隨之增大。為避免因紅外熱像儀單機(jī)重量過(guò)大而過(guò)多消耗光電系統(tǒng)重量指標(biāo)，一般要求其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能輕型化和輕小化。然而輕小化的紅外熱像儀往往在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等方面存在一定不足，從而造成設(shè)備故障或失效[5]。因此，開(kāi)展紅外熱像儀機(jī)械環(huán)境故障分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)研究具有一定的意義和價(jià)值。

雖然有限元仿真能夠?qū)Ω鞣N振動(dòng)環(huán)境的類型和載荷激勵(lì)進(jìn)行模擬并獲得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，但仿真結(jié)果準(zhǔn)確性受兩方面制約：一方面，紅外熱像儀包含大量光學(xué)元件、非金屬元件以及一些具體材料物理參數(shù)不明的外購(gòu)元器件，這些材料大多屬于非線性材料，而動(dòng)力學(xué)仿真大多以線性材料為前提進(jìn)行；另一方面，紅外熱像儀小型化零部件數(shù)量較大，而這些零件的形狀尺寸、連接方式、裝配工藝均具有不確定性，但熱像儀結(jié)構(gòu)真實(shí)的模態(tài)對(duì)這些不確定因素異常敏感。由此可見(jiàn)，為了解紅外熱像儀的振動(dòng)環(huán)境可靠性，僅靠有限元仿真分析還不夠，必須結(jié)合實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行模型修正[6]。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)在任意時(shí)刻均包含各種頻率成分的激勵(lì)，可以近似考核熱像儀整體結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作環(huán)境下的抗振及耐疲勞性能。此外，沖擊試驗(yàn)作用時(shí)間短，光電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)是試驗(yàn)的主要承載體，為紅外熱像儀起到了緩沖作用，而正弦掃頻和耐振試驗(yàn)激勵(lì)頻段上限還遠(yuǎn)達(dá)不到紅外熱像儀的最低固有頻率，因此，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是對(duì)紅外熱像儀最具有考核效力的振動(dòng)試驗(yàn)[7]。

以某型紅外熱像儀在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障為例，本文利用有限元仿真、動(dòng)態(tài)測(cè)試以及疲勞失效理論相結(jié)合的方法進(jìn)行故障機(jī)理分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1 動(dòng)態(tài)測(cè)試模態(tài)參數(shù)識(shí)別的基本原理

試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識(shí)別是通過(guò)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)激勵(lì)從而獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼率等參數(shù)[8]，線性系統(tǒng)諧波激勵(lì)的運(yùn)動(dòng)微分方程如下：

式中：、分別為激勵(lì)和位移響應(yīng)幅值；為諧波激勵(lì)頻率。將以上兩式分別代入式(1)得：

等式兩端同除以n2ei進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)一步整理為：

則結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)有如下表達(dá)式：

()為線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，為復(fù)數(shù)形式，可反應(yīng)系統(tǒng)激勵(lì)與響應(yīng)的幅頻以及相頻信息，其幅頻特性有：

2 紅外熱像儀故障分析

2.1 紅外熱像儀結(jié)構(gòu)及故障描述

圖1為某型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)模型圖。該紅外熱像儀主要包含鏡頭組、探測(cè)器組及安裝板結(jié)構(gòu)等。探測(cè)器上部安裝有一組由電路板立柱支撐的電路板組，其中底層的電路板由兩部分組成，一部分安裝在探測(cè)器組上部，另一部分安裝在探測(cè)器杜瓦前端，兩部分之間通過(guò)撓性排線相連。杜瓦與電路板之間為插針連接型式。熱像儀通過(guò)底部4個(gè)安裝面與光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定連接。

該紅外熱像儀研制初期仿真分析基頻為208.2Hz，大于可靠性試驗(yàn)振動(dòng)頻率上限，初步判斷滿足可靠性要求。設(shè)備投產(chǎn)裝配完成后，根據(jù)GJB899A標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求開(kāi)展可靠性鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)。試驗(yàn)中設(shè)備置于機(jī)械振動(dòng)臺(tái)并施加圖2所示的隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度載荷[9]。其中功率譜帶寬范圍為10～200Hz。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該型紅外熱像儀出現(xiàn)了杜瓦與電路板之間的插針斷針情況，隨即立即停止試驗(yàn)，并進(jìn)行故障分析整改。

2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試及數(shù)值模型修正

為分析故障產(chǎn)生原因，對(duì)該型紅外熱像儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試與數(shù)值模型修正。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試中，將紅外熱像儀置于試驗(yàn)臺(tái)上，采用力錘施加垂向激勵(lì)，通過(guò)BK測(cè)試儀獲得探測(cè)器組件傳感器安裝位置響應(yīng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。動(dòng)態(tài)測(cè)試中結(jié)構(gòu)頻響特性曲線如圖3所示。結(jié)合第1章動(dòng)態(tài)測(cè)試模態(tài)參數(shù)識(shí)別理論可知，幅頻特性曲線峰值點(diǎn)頻率即為結(jié)構(gòu)低階固有頻率。從圖3可以看出，該紅外熱像儀結(jié)構(gòu)一階固有頻率為174.8Hz，小于可靠性試驗(yàn)振動(dòng)頻率上限200Hz?；谏鲜黾t外熱像儀動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行有限元數(shù)值模型修正。在0.02～0.06范圍內(nèi)以0.01間隔調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)阻尼比并分別利用ANSYS/Workbench有限元程序重新對(duì)紅外單機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析。計(jì)算表明結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05時(shí)，該結(jié)構(gòu)一階固有頻率為168.89Hz，與測(cè)試結(jié)果相比誤差為3.38%。探測(cè)器部位第一階模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示，一階振型表明探測(cè)器電路板組與杜瓦連接處近似為扭擺中心，存在疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 紅外熱像儀結(jié)構(gòu)模型（左）及安裝面示意（右）

圖2 可靠性試驗(yàn)隨機(jī)振動(dòng)譜

圖3 探測(cè)器組動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

圖4 探測(cè)器組第1階模態(tài)振型

2.3 故障分析與診斷

為深入分析紅外熱像儀故障發(fā)生機(jī)理，將2.2節(jié)中修正的紅外熱像儀結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行圖2載荷下的隨機(jī)振動(dòng)分析?；赪orkbench有限元程序計(jì)算探測(cè)器組件應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖可知，探測(cè)器組件1最大等效應(yīng)力發(fā)生于杜瓦插針根部，其值為90.4MPa，小于插針銅材料的屈服強(qiáng)度。分析認(rèn)為產(chǎn)生斷裂的原因是由于隨機(jī)激勵(lì)下該部位發(fā)生疲勞破壞。

圖5 隨機(jī)載荷條件下探測(cè)器組件等效應(yīng)力云圖

隨機(jī)載荷下結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算十分復(fù)雜。工程中普遍采用Steinberg提出的基于高斯分布的三區(qū)間法結(jié)合Miner線性累計(jì)損傷方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞失效分析。三區(qū)間法將應(yīng)力大小分為3個(gè)層級(jí)并給出不同層級(jí)下振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的概率，如表1所示。該方法認(rèn)為振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)3以外的應(yīng)力為小概率事件，忽略其對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的影響。

表1 基于高斯分布的三區(qū)間法

Miner模型中結(jié)構(gòu)總體損傷定義如下：

式中：1、2和3分別為應(yīng)力取1、2和3時(shí)所對(duì)應(yīng)的許可循環(huán)次數(shù)，可結(jié)合銅材料的S-N曲線獲得。1、2和3分別為振動(dòng)過(guò)程中不同應(yīng)力水平所對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)，可由表1中第三列計(jì)算獲得，其中t＋為響應(yīng)平均頻率，其計(jì)算式見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，為振動(dòng)總時(shí)長(zhǎng)，試驗(yàn)中?。?2h。當(dāng)總體損傷＜1時(shí)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，當(dāng)總體損傷≥1時(shí)則認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效。

根據(jù)疲勞壽命計(jì)算理論，結(jié)構(gòu)在應(yīng)力幅值為的交變載荷作用下許可循環(huán)次數(shù)可由下式計(jì)算：

式中：p和p為與材料、溫度等相關(guān)的常數(shù)。文中紅外熱像儀杜瓦插針材料為銅，由文獻(xiàn)[11]可得該材料系數(shù)p和p分別為21.78和－7.14。由上式計(jì)算紅外熱像儀探測(cè)器組件在1(90.43MPa)、2(180.86MPa)和3(271.29MPa)應(yīng)力下許可循環(huán)次數(shù)分別為1＝63095734、2＝457088和3＝25409。

將不同應(yīng)力范圍內(nèi)實(shí)際循環(huán)次數(shù)與許可循環(huán)次數(shù)分別代入累計(jì)損傷表達(dá)式計(jì)算得＝15.203＞1，表明插針部位已發(fā)生疲勞破壞。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證

由前述分析可知紅外熱像儀一階固有頻率低于試驗(yàn)頻段上限且探測(cè)器組電路板與杜瓦插針連接處近似為一階振型扭振點(diǎn)，振動(dòng)過(guò)程中引起插針應(yīng)力疲勞是失效的主要原因。因此結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路為提升探測(cè)器結(jié)構(gòu)剛性使其固有頻率高于試驗(yàn)激勵(lì)頻段上限。主要改進(jìn)措施為：采用一體化框架代替多零件的拼裝；將探測(cè)器組件各零件之間M3的螺釘更換為M4螺釘，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 探測(cè)器組改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)重新開(kāi)展模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試，結(jié)果分別如圖7、圖8所示。由圖可知，有限元數(shù)值分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試獲得的改進(jìn)紅外結(jié)構(gòu)一階固有頻率分別為263.71Hz和246Hz，相對(duì)誤差為7.2%。相比改進(jìn)設(shè)計(jì)前，紅外熱像儀結(jié)構(gòu)固有頻率分別提升了56.14%和40.73%，平均提升48.43%。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)一階固有頻率高于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件上限200Hz。

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后第一階模態(tài)振型

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后幅頻響應(yīng)曲線

紅外熱像儀改進(jìn)設(shè)計(jì)后重新進(jìn)行圖2所示輸入載荷下隨機(jī)振動(dòng)分析。探測(cè)器組件1等效應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖可知結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力仍位于杜瓦插針位置處。但其最大應(yīng)力值為19.67MPa，較結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)前90.43MPa降低78.25%。由疲勞壽命計(jì)算式可得紅外熱像儀探測(cè)器組件在1（19.67MPa）、2（39.34MPa）和3（59.01MPa）應(yīng)力下許可循環(huán)次數(shù)分別為1＝3.48×1012、2＝2.46×1010和3＝1.38×109。將不同應(yīng)力范圍內(nèi)實(shí)際循環(huán)次數(shù)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)后許用循環(huán)次數(shù)分別代入累計(jì)損傷表達(dá)式重新計(jì)算得＝2.14×10－4＜1，插針部位疲勞強(qiáng)度滿足要求。

圖9 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后探測(cè)器組件等效應(yīng)力云圖

從仿真分析結(jié)果中提取結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)前后杜瓦插針根部節(jié)點(diǎn)加速度功率譜密度對(duì)比如圖10所示。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)前插針根部加速度功率譜密度在10～200Hz頻段范圍出現(xiàn)兩處明顯波峰，峰值所對(duì)應(yīng)頻率分別為168.2Hz和179.5Hz，恰為結(jié)構(gòu)改進(jìn)前所對(duì)應(yīng)的一階和二階固有頻率。結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后探針根部加速度功率譜密度曲線變得平緩，在所關(guān)心頻段無(wú)波峰出現(xiàn)。進(jìn)一步計(jì)算兩條曲線對(duì)應(yīng)加速度有效值分別為25.83m/s2和12.42m/s2，結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后加速度有效值減少51.92%。

圖10 改進(jìn)前后插針根部加速度功率譜密度

隨后對(duì)該紅外熱像儀重新開(kāi)展可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)中無(wú)任何故障，表明本文基于有限元數(shù)值仿真、動(dòng)態(tài)測(cè)試和疲勞損傷失效理論相結(jié)合的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)分析方法能夠有效解決前述紅外熱像結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，從而提高結(jié)構(gòu)可靠性。

4 結(jié)論

本文對(duì)某型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)中故障產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了推測(cè)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，并通過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明隨機(jī)振動(dòng)下紅外熱像儀杜瓦探針根部疲勞失效是引起故障的主要原因，改進(jìn)設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)一階固有頻率提升了48.43%，超過(guò)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)頻段上限，危險(xiǎn)點(diǎn)加速度響應(yīng)有效值減小了51.92%，同時(shí)降低了等效應(yīng)力值，提高了結(jié)構(gòu)抵抗隨機(jī)振動(dòng)疲勞失效能力，避免了故障復(fù)現(xiàn)。本文提出的針對(duì)某型紅外熱像儀故障分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的整套分析方法和思路可對(duì)單機(jī)傳感器設(shè)計(jì)或故障定位、整改等提供一定參考。

[1] 楊帆. 對(duì)某掃描型紅外熱像儀裝調(diào)工藝的研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2018.

YANG Fan. Study on Alignment Technology of a Scanning Infrared Thermal Imager[D]. Xi’an:, 2018.

[2] 蔡毅, 王嶺雪. 紅外成像技術(shù)中的9個(gè)問(wèn)題[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(11): 671-682.

CAI Yi, WANG Lingxue. Nine issues associated with infrared imaging technology[J]., 2013, 35(11):671-682.

[3] 王憶鋒. 2013年的中國(guó)紅外技術(shù)(上)[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(1): 10-21.

WANG Yifeng. The infrared technology of China[J]., 2014, 36(1):10-21.

[4] 李穎文, 楊長(zhǎng)城, 洪韜. 紅外熱像儀的自動(dòng)MRTD測(cè)試和性能分析[J]. 紅外與激光工程, 2010, 39: 287-290.

LI Yingwen, YANG Changcheng, HONG Tao. Automatic MRTD test and acquisition performance evaluation of infrared thermal imager[J]., 2010, 39: 287-290.

[5] 陶亮, 趙勁松, 劉傳明, 等. 高可靠性紅外熱像儀的設(shè)計(jì)方法[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(12): 941-948.

TAO Liang, ZHAO Jinsong, LIU Chuanming, et al. Design methods of high reliability thermal imagers[J]., 2014, 36(12): 941-948.

[6] 丁繼鋒, 韓增堯, 馬興瑞. 航天器動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2012, 42(4): 395-405.

DING Jifeng, HAN Zengyao, MA Xingrui. Research evolution on the test verification of spacecraft dynamic model[J]., 2012, 42(4): 395-405.

[7] 祝耀昌. 可靠性試驗(yàn)及其發(fā)展綜述[J]. 航天器環(huán)境工程, 2007, 24(5): 261-270.

ZHU Yaochang. Reliability tests and their developments[J]., 2007, 24(5): 261-270.

[8] 張力. 模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011.

ZHANG Li.[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2011.

[9] 中國(guó)人民解放軍總裝備部. 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn): GJB-899A-2009. [S]. 2009-05-25.

The General Reserve Department of PLA. Reliability testing for qualification and production acceptance: GJB-899A-2009[S]. 2009-05-25.

[10] 張?jiān)? 吳圣陶, 曾柯杰, 等. 某電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命仿真分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2016, 32(6): 25-28.

ZHANG Yun, WU Shengtao, ZENG Kejie, et al. Analysis of random vibration fatigue life of a electronic equipment[J]., 2016, 32(6): 25-28.

[11] 張忠明, 服部修次, 田川紀(jì)英, 等. 銅合金的疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2005, 26(5): 76-79.

ZHANG Zhongming, Shuji Hattori, Hidenori Maekawa, et al. Prediciton of fatigue life for copper alloys[J]., 2005, 26(5): 76-79.

Structural Improvement Design of an Infrared Thermal Imager

GAO Youtao

(,,430223,)

The mechanical environment reliability of infrared thermal imagers is one of the most important indices in its structural design. To ensure that the infrared thermal imager can withstand the vibration environment during operation, a fault closed loop of an infrared thermal imager is used as an example to develop research on the fault mechanism and structure improvement design. The finite-element model of the infrared thermal imager is modified based on the dynamic test. The fault mechanism is deduced by combining the finite-element method and the fatigue failure theory under random vibration. According to the analysis results, the structure was improved and verified using the fatigue failure theory and random vibration test. The results indicate that the fault location is accurate and the structural improvement is effective. The analysis method proposed in this paper is expected to provide a reference for the fault location and structural improvement of asingle sensor.

infrared thermal imager, finite element method, dynamic test, random vibration, fatigue failure

TH745.1

A

1001-8891(2022)02-0145-06

2020-12-15；

2021-01-12.

高有濤（1979-），男，工程師，主要從事光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。E-mail：gaoyoutao17@126.com。