許勁飛 周淑蓉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所 四川 成都 610036）

0 概述

飛機(jī)上航空電子設(shè)備所處的機(jī)械環(huán)境比較惡劣，據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，航空電子設(shè)備故障29%～41%由機(jī)械負(fù)荷的作用引起，元件的失效頻度比在實(shí)驗(yàn)室條件下(無(wú)振動(dòng)、沖擊時(shí)的失效頻度)大120～160倍，振動(dòng)引起的元件或材料的疲勞損壞，造成電子產(chǎn)品的失效。航空電子設(shè)備防振設(shè)計(jì)的主要方法有減弱和消除振源、小型化及剛性化、去諧、去耦、增加阻尼，主要手段可以進(jìn)行有限元建模來(lái)分析設(shè)備的模態(tài)振型，掌握電路板組件和機(jī)箱的模態(tài)頻率和振型，并進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析（PSD），在規(guī)定的外力載荷或試驗(yàn)的環(huán)境載荷條件下分析機(jī)箱和電路板組件的各關(guān)心部位的響應(yīng)情況，為合理的元器件布局設(shè)計(jì)、電路板組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。振動(dòng)試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析及驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)，振動(dòng)試驗(yàn)的方法關(guān)系到試驗(yàn)的正確性與準(zhǔn)確性，必須加以重視，研究振動(dòng)試驗(yàn)方法是進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的最重要的組成部分。

1 振動(dòng)試驗(yàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 夾具

夾具是振動(dòng)試驗(yàn)的最重要的準(zhǔn)備工作，夾具的好壞關(guān)系到試驗(yàn)的成功與否，夾具設(shè)計(jì)與驗(yàn)收遵照以下原則進(jìn)行。

1.1.1 夾具結(jié)構(gòu)要求

材料采用鋁合金，對(duì)于三維尺寸小于200mm的小型夾具，應(yīng)為整體機(jī)加工結(jié)構(gòu)形式；對(duì)于坯料供應(yīng)困難的較大夾具，優(yōu)先考慮鑄造或焊接，允許螺裝和局部焊接，螺裝時(shí)螺栓間距小于8cm；經(jīng)常拆卸的夾具，要嵌鋼螺套或插銷(xiāo)螺套；螺紋連接部位，用高強(qiáng)度厭氧膠粘接；夾具要留有傳感器安裝位置。

1.1.2 夾具性能要求

對(duì)電子產(chǎn)品而言，通常夾具和產(chǎn)品的總重小于30kg，要求：

a）一階共振頻率

垂直向>700Hz，水平向>450Hz；

垂直向高于700Hz，水平向高于450Hz時(shí)，試驗(yàn)曲線上允許有多個(gè)共振峰或反共振峰，但在1000Hz內(nèi)，隨機(jī)試驗(yàn)累計(jì)帶寬內(nèi)總均方根值差<3dB；

驗(yàn)收時(shí)可將夾具、臺(tái)面上各部位綜合考慮作為控制點(diǎn)。

b）與主振（Z 向）方向正交（X、Y 向）的振動(dòng)量值

在500Hz以下，非試驗(yàn)方向（X、Y向）小于主振方向（Z向）控制值的50%，非試驗(yàn)方向 （X、Y向）在500 Hz以上最高峰不大于主振方向（Z向）控制值，從正弦掃頻或隨機(jī)功率譜響應(yīng)曲線上讀取。

驗(yàn)收時(shí)可在夾具離振動(dòng)臺(tái)面最高處檢測(cè)，控制點(diǎn)位置在臺(tái)面上。

c）夾具上與產(chǎn)品連接點(diǎn)(螺栓連接處，也稱固定點(diǎn))間振動(dòng)輸入值的均勻性

各點(diǎn)的均勻性：指隨機(jī)試驗(yàn)時(shí)帶寬內(nèi)的最大（或最?。┚礁蹬c平均值的差，其均勻性在700Hz內(nèi)小于30%，1000 Hz內(nèi)小于50%；

驗(yàn)收時(shí)可將夾具、臺(tái)面上各部位綜合考慮作為控制點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備的安裝

按實(shí)際的安裝方式直接或借助夾具緊固于振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈或振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，所有的設(shè)備接插件、電纜也必須和實(shí)際使用時(shí)的狀態(tài)一致或盡量一致。

1.3 控制點(diǎn)的選擇

當(dāng)夾具較剛硬，試驗(yàn)樣品較小時(shí)，通?？捎门_(tái)面中心作為控制點(diǎn)；當(dāng)夾具剛性對(duì)控制值影響較大時(shí)，可選擇試驗(yàn)樣品與夾具或振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的連接點(diǎn)作為控制點(diǎn)；當(dāng)試驗(yàn)樣品較大，或用上述點(diǎn)控制不合適時(shí)，也可將臺(tái)面、夾具、試驗(yàn)樣品上各部位綜合考慮作為控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)要根據(jù)試驗(yàn)的情況的不同做具體適當(dāng)?shù)剡x擇。

1.4 振動(dòng)臺(tái)面

為滿足夾具安裝的方便性和同時(shí)進(jìn)行多個(gè)產(chǎn)品的安裝以提高試驗(yàn)效率要求，一般使用振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面，在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上安裝夾具，要求振動(dòng)臺(tái)面固有頻率在1200Hz以上，因?yàn)楹娇针娮赢a(chǎn)品的器件固有頻率在一般在400Hz～800Hz，若振動(dòng)臺(tái)面固有頻率在1200Hz以下，則由振動(dòng)臺(tái)、臺(tái)面、夾具、產(chǎn)品組成的試驗(yàn)系統(tǒng)其固有頻率有可能在800Hz以下 （帶夾具、產(chǎn)品后剛度K減少，質(zhì)量M增大，固有頻率減?。c器件固有頻率（400Hz～800Hz）重合，控制點(diǎn)選點(diǎn)不當(dāng)會(huì)造成產(chǎn)品器件的過(guò)試驗(yàn)和損壞。

條件允許的情況下，試驗(yàn)時(shí)最好不要采用振動(dòng)臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或者夾具與振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈直接連接。

2 幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)問(wèn)題的試驗(yàn)分析

2.1 系統(tǒng)的安裝方式、固有頻率及試驗(yàn)結(jié)果分析方法

安裝方式（邊界條件）影響系統(tǒng)的固有頻率。

由振動(dòng)臺(tái)、臺(tái)面、夾具、產(chǎn)品組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的固有頻率試驗(yàn)各控制點(diǎn)的控制曲線上會(huì)有所反映，表現(xiàn)為各控制點(diǎn)控制曲線上在同一頻率上有多個(gè)共振峰或反共振峰，其驅(qū)動(dòng)曲線上也在同一頻率上有突變，曲線不光滑。

2.2 尋找和分析設(shè)備諧振點(diǎn)

一臺(tái)電子設(shè)備往往有幾個(gè)諧振點(diǎn)，因此對(duì)于整機(jī)的固有頻率的分析和計(jì)算是十分復(fù)雜的，可以進(jìn)行有限元建模分析設(shè)備的模態(tài)振型和固有頻率。實(shí)際上，要想全部消除諧振點(diǎn)很困難，甚至是不可能的，所以，從試驗(yàn)中尋找諧振點(diǎn)來(lái)制定相應(yīng)的改進(jìn)措施往往比進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算更有實(shí)際意義。

如何從試驗(yàn)中尋找關(guān)心的諧振點(diǎn)并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施呢？

在所關(guān)心的位置上 （如印制板上某個(gè)關(guān)心的器件安裝點(diǎn)、印制板的固定點(diǎn)等）設(shè)置響應(yīng)點(diǎn)，測(cè)試該點(diǎn)的響應(yīng)曲線，分析響應(yīng)曲線上共振峰（正峰）的對(duì)應(yīng)頻率及傳遞率（可能有多個(gè)共振峰，有該結(jié)構(gòu)件1階～n階的共振峰,也有其它結(jié)構(gòu)件的諧振點(diǎn)經(jīng)耦合后進(jìn)入），可結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果來(lái)判斷該諧振點(diǎn)頻率是哪些結(jié)構(gòu)件的固有頻率，尤其應(yīng)注意該結(jié)構(gòu)件前三階的固有頻率及傳遞率，傳遞率最大對(duì)應(yīng)的固有頻率及傳遞率一般是該結(jié)構(gòu)件的一階固有頻率。

某航空電子設(shè)備重量4.8kg，結(jié)構(gòu)外形圖見(jiàn)圖1，H印制板用9個(gè)螺釘固定在面板背面上，在H印制板上設(shè)置一響應(yīng)點(diǎn)B（參見(jiàn)圖1），測(cè)得響應(yīng)點(diǎn)曲線見(jiàn)圖2。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)外形圖

圖2 H印制板上B點(diǎn)響應(yīng)點(diǎn)曲線

分析曲線，可以看出，在331Hz處為最大的共振峰，g/g為31，傳遞率為，表明B點(diǎn)在該頻率處輸入振動(dòng)量級(jí)被放大5.6倍，該頻率為H印制板的一階固有頻率；在507Hz處的共振峰，g/g為9.56，傳遞率為，表明 B點(diǎn)在該頻率處輸入振動(dòng)量級(jí)被放大3.1倍，該頻率為HI印制板的二階固有頻率。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)輸入振動(dòng)量級(jí)、傳遞率、元器件耐受能力判斷該處器件是否進(jìn)行加固處理。

2.3 配重

摸底試驗(yàn)中常常遇到這樣的問(wèn)題，試驗(yàn)時(shí)需不需要帶配重，有時(shí)對(duì)所關(guān)心的結(jié)構(gòu)部位測(cè)試響應(yīng)，安裝傳感器無(wú)空間，需要去掉其它結(jié)構(gòu)件，此時(shí)如何處理？下面的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果提供了試驗(yàn)方法與思路，結(jié)論具有參考意義。

圖1所示的設(shè)備在有配重的情況下（指有機(jī)箱尾部與箱內(nèi)模塊部件）、無(wú)配重（指無(wú)機(jī)箱尾部與箱內(nèi)模塊部件，只有面板及固定在面板上的HI印制板）兩種情況下，分別對(duì)進(jìn)行印制板上B點(diǎn)測(cè)試響應(yīng)，結(jié)果如下。

帶配重：印制板一階固有頻率 337.5Hz，g/g為35.4。

無(wú)配重：印制板一階固有頻率 331Hz，g/g為31。

試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明：帶不帶配重對(duì)印制板的固有頻率略有影響，對(duì)印制板的傳遞率有影響，帶配重的印制板的傳遞率是不帶配重的1.07倍（7%）。

有條件的情況下，最好帶配重進(jìn)行試驗(yàn)，安裝傳感器困難時(shí)，可以去掉對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)件剛度影響不大的結(jié)構(gòu)件。

2.4 螺旋鎖結(jié)構(gòu)

機(jī)載電子設(shè)備的固定形式常常采用螺旋鎖結(jié)構(gòu)，將設(shè)備面板上的幾個(gè)螺旋鎖固定在飛機(jī)艙內(nèi)水平操縱臺(tái)的鋼絲上，如圖3所示。

圖3 螺旋鎖結(jié)構(gòu)

螺旋鎖固定方式使設(shè)備響應(yīng)在低頻時(shí)放大，高頻時(shí)減小。

對(duì)距離螺旋鎖安裝點(diǎn)最近的設(shè)備面板上的A點(diǎn) （見(jiàn)圖3）測(cè)試響應(yīng)，響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4，可以看出在80Hz～270Hz區(qū)域放大，其中在150Hz～220Hz區(qū)域放大超過(guò) 6dB，在 177Hz時(shí)g/g最大，為17.25，折算為加速度值放大約4.15倍，370Hz～1300Hz有顯著減震功能；由于器件固有頻率大多在400Hz～800Hz，對(duì)器件有較好的減震功能。

雖然螺旋鎖對(duì)器件在高頻時(shí)有較好的減震功能，但要注意設(shè)計(jì)印制板時(shí)應(yīng)盡量提高印制板的固有頻率，最好將印制板的固有頻率設(shè)計(jì)在400Hz以上，以避免印制板固有頻率落在低頻放大區(qū)域，引起響應(yīng)加大；另一方面，印制板的彎曲曲率很大程度上反映了該器件管腳或焊點(diǎn)所受剪切力的程度，提高印制板固有頻率是減少印制板板撓度的主要手段，印制板彎曲曲率較大的區(qū)域不適合安裝面積較大的器件，位移越大的區(qū)域不適合安裝質(zhì)量較大的器件。

圖4 H點(diǎn)響應(yīng)曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

電子設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)與分析是一門(mén)涉及到振動(dòng)理論、振動(dòng)試驗(yàn)技巧與操作、振動(dòng)有限元建模與分析、器件耐振程度分析等各類(lèi)相關(guān)技術(shù)的綜合技術(shù)方法，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)并在實(shí)踐中加以總結(jié)與提煉，尤其是器件耐振程度各器件生產(chǎn)廠家基本無(wú)相關(guān)資料，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)以獲得相應(yīng)資料，掌握好振動(dòng)試驗(yàn)與分析方法是每一個(gè)航空電子設(shè)備結(jié)構(gòu)工程師開(kāi)展振動(dòng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的重要基礎(chǔ)工作。

［1］汪鳳泉.電子設(shè)備振動(dòng)與沖擊手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,1997:123-135.

［2］江蘇南京工學(xué)院.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京:江蘇科技技術(shù)出版社,1981:17-45.