某型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)改進設(shè)計研究

高有濤

某型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)改進設(shè)計研究

高有濤

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

紅外熱像儀機械環(huán)境可靠性是其結(jié)構(gòu)設(shè)計最為重要的指標之一。為保證紅外熱像儀能夠經(jīng)受服役的振動環(huán)境，本文以某型紅外熱像儀故障閉環(huán)為契機開展失效機理及結(jié)構(gòu)改進設(shè)計研究。基于動態(tài)試驗結(jié)果對紅外熱像儀有限元模型進行修正。采用有限元數(shù)值方法和隨機振動疲勞失效理論相結(jié)合對故障的產(chǎn)生機理進行了推測。根據(jù)分析結(jié)果重新對結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化并通過疲勞失效理論和隨機振動試驗進行了驗證。結(jié)果表明故障定位準確、提出的優(yōu)化改進措施有效。本文的分析思路對單機傳感器設(shè)計或故障定位、結(jié)構(gòu)改進設(shè)計等具有一定參考意義。

紅外熱像儀；有限元方法；動態(tài)試驗；隨機振動；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、大視場的應(yīng)用需求，紅外熱像儀孔徑設(shè)計得越來越大，其重量也隨之增大。為避免因紅外熱像儀單機重量過大而過多消耗光電系統(tǒng)重量指標，一般要求其結(jié)構(gòu)設(shè)計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，開展紅外熱像儀機械環(huán)境故障分析與改進設(shè)計研究具有一定的意義和價值。

雖然有限元仿真能夠?qū)Ω鞣N振動環(huán)境的類型和載荷激勵進行模擬并獲得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，但仿真結(jié)果準確性受兩方面制約：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)不明的外購元器件，這些材料大多屬于非線性材料，而動力學(xué)仿真大多以線性材料為前提進行；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)真實的模態(tài)對這些不確定因素異常敏感。由此可見，為了解紅外熱像儀的振動環(huán)境可靠性，僅靠有限元仿真分析還不夠，必須結(jié)合實際測試結(jié)果進行模型修正[6]。

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

以某型紅外熱像儀在隨機振動試驗中出現(xiàn)的故障為例，本文利用有限元仿真、動態(tài)測試以及疲勞失效理論相結(jié)合的方法進行故障機理分析及結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，并對改進設(shè)計的有效性進行了分析驗證。

1 動態(tài)測試模態(tài)參數(shù)識別的基本原理

試驗?zāi)B(tài)參數(shù)識別是通過對實際結(jié)構(gòu)進行動態(tài)信號激勵從而獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼率等參數(shù)[8]，線性系統(tǒng)諧波激勵的運動微分方程如下：

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

等式兩端同除以n2ei進行簡化，并進一步整理為：

則結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)有如下表達式：

()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、探測器組及安裝板結(jié)構(gòu)等。探測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，一部分安裝在探測器組上部，另一部分安裝在探測器杜瓦前端，兩部分之間通過撓性排線相連。杜瓦與電路板之間為插針連接型式。熱像儀通過底部4個安裝面與光電系統(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，大于可靠性試驗振動頻率上限，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標準有關(guān)要求開展可靠性鑒定試驗和驗收試驗。試驗中設(shè)備置于機械振動臺并施加圖2所示的隨機振動功率譜密度載荷[9]。其中功率譜帶寬范圍為10～200Hz。試驗過程中發(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，并進行故障分析整改。

2.2 動態(tài)測試及數(shù)值模型修正

為分析故障產(chǎn)生原因，對該型紅外熱像儀進行動態(tài)測試與數(shù)值模型修正。動態(tài)試驗測試中，將紅外熱像儀置于試驗臺上，采用力錘施加垂向激勵，通過BK測試儀獲得探測器組件傳感器安裝位置響應(yīng)并進行數(shù)據(jù)處理。動態(tài)測試中結(jié)構(gòu)頻響特性曲線如圖3所示。結(jié)合第1章動態(tài)測試模態(tài)參數(shù)識別理論可知，幅頻特性曲線峰值點頻率即為結(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，小于可靠性試驗振動頻率上限200Hz。基于上述紅外熱像儀動態(tài)測試結(jié)果進行有限元數(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有限元程序重新對紅外單機進行模態(tài)分析。計算表明結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05時，該結(jié)構(gòu)一階固有頻率為168.89Hz，與測試結(jié)果相比誤差為3.38%。探測器部位第一階模態(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。

圖1 紅外熱像儀結(jié)構(gòu)模型（左）及安裝面示意（右）

圖2 可靠性試驗隨機振動譜

圖3 探測器組動態(tài)測試結(jié)果

圖4 探測器組第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)生機理，將2.2節(jié)中修正的紅外熱像儀結(jié)構(gòu)模型進行圖2載荷下的隨機振動分析。基于Workbench有限元程序計算探測器組件應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖可知，探測器組件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度。分析認為產(chǎn)生斷裂的原因是由于隨機激勵下該部位發(fā)生疲勞破壞。

圖5 隨機載荷條件下探測器組件等效應(yīng)力云圖

隨機載荷下結(jié)構(gòu)疲勞計算十分復(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線性累計損傷方法進行結(jié)構(gòu)疲勞失效分析。三區(qū)間法將應(yīng)力大小分為3個層級并給出不同層級下振動過程中發(fā)生的概率，如表1所示。該方法認為振動過程中出現(xiàn)3以外的應(yīng)力為小概率事件，忽略其對結(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時所對應(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分別為振動過程中不同應(yīng)力水平所對應(yīng)循環(huán)次數(shù)，可由表1中第三列計算獲得，其中t＋為響應(yīng)平均頻率，其計算式見文獻[10]，為振動總時長，試驗中取＝12h。當(dāng)總體損傷＜1時，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，當(dāng)總體損傷≥1時則認為結(jié)構(gòu)失效。

根據(jù)疲勞壽命計算理論，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[11]可得該材料系數(shù)p和p分別為21.78和－7.14。由上式計算紅外熱像儀探測器組件在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)實際循環(huán)次數(shù)與許可循環(huán)次數(shù)分別代入累計損傷表達式計算得＝15.203＞1，表明插針部位已發(fā)生疲勞破壞。

3 結(jié)構(gòu)改進及驗證

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

圖6 探測器組改進后結(jié)構(gòu)

對改進結(jié)構(gòu)重新開展模態(tài)分析和動態(tài)測試，結(jié)果分別如圖7、圖8所示。由圖可知，有限元數(shù)值分析和動態(tài)測試獲得的改進紅外結(jié)構(gòu)一階固有頻率分別為263.71Hz和246Hz，相對誤差為7.2%。相比改進設(shè)計前，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%。改進后結(jié)構(gòu)一階固有頻率高于隨機振動試驗條件上限200Hz。

圖7 結(jié)構(gòu)改進后第一階模態(tài)振型

圖8 結(jié)構(gòu)改進后幅頻響應(yīng)曲線

紅外熱像儀改進設(shè)計后重新進行圖2所示輸入載荷下隨機振動分析。探測器組件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)改進設(shè)計前90.43MPa降低78.25%。由疲勞壽命計算式可得紅外熱像儀探測器組件在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)實際循環(huán)次數(shù)與結(jié)構(gòu)改進后許用循環(huán)次數(shù)分別代入累計損傷表達式重新計算得＝2.14×10－4＜1，插針部位疲勞強度滿足要求。

圖9 結(jié)構(gòu)改進后探測器組件等效應(yīng)力云圖

從仿真分析結(jié)果中提取結(jié)構(gòu)改進設(shè)計前后杜瓦插針根部節(jié)點加速度功率譜密度對比如圖10所示。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)改進設(shè)計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，峰值所對應(yīng)頻率分別為168.2Hz和179.5Hz，恰為結(jié)構(gòu)改進前所對應(yīng)的一階和二階固有頻率。結(jié)構(gòu)改進設(shè)計后探針根部加速度功率譜密度曲線變得平緩，在所關(guān)心頻段無波峰出現(xiàn)。進一步計算兩條曲線對應(yīng)加速度有效值分別為25.83m/s2和12.42m/s2，結(jié)構(gòu)改進設(shè)計后加速度有效值減少51.92%。

圖10 改進前后插針根部加速度功率譜密度

隨后對該紅外熱像儀重新開展可靠性試驗，試驗中無任何故障，表明本文基于有限元數(shù)值仿真、動態(tài)測試和疲勞損傷失效理論相結(jié)合的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計分析方法能夠有效解決前述紅外熱像結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，從而提高結(jié)構(gòu)可靠性。

4 結(jié)論

本文對某型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)可靠性試驗中故障產(chǎn)生的機理進行了推測、結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化，并通過理論分析和試驗測試對改進效果進行了驗證。結(jié)果表明隨機振動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，改進設(shè)計后結(jié)構(gòu)一階固有頻率提升了48.43%，超過隨機振動試驗頻段上限，危險點加速度響應(yīng)有效值減小了51.92%，同時降低了等效應(yīng)力值，提高了結(jié)構(gòu)抵抗隨機振動疲勞失效能力，避免了故障復(fù)現(xiàn)。本文提出的針對某型紅外熱像儀故障分析及結(jié)構(gòu)改進設(shè)計的整套分析方法和思路可對單機傳感器設(shè)計或故障定位、整改等提供一定參考。

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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)計優(yōu)化。E-mail：gaoyoutao17@126.com。