岳超 梁國(guó)

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司河北石家莊050081）

1 引言

對(duì)機(jī)載電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，振動(dòng)環(huán)境常常會(huì)導(dǎo)致電子元器件的失效或損失、電子線路的短路或斷路和接插件松動(dòng)甚至脫離等環(huán)境效應(yīng)。在振動(dòng)所引起的機(jī)械力作用下，當(dāng)元器件的固有頻率與振動(dòng)頻率一致時(shí)，會(huì)引起共振[1]，因此機(jī)載設(shè)備的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何在保證結(jié)構(gòu)的可靠性的同時(shí)，盡量降低設(shè)備的重量，這是結(jié)構(gòu)工程師追求的目標(biāo)。文中首先討論了電子設(shè)備的有限元建模方法，然后利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，得到等效應(yīng)力云圖，較系統(tǒng)和全面的提出抗振設(shè)計(jì)的方法。

2 軟件建模

設(shè)備采用模塊組合的結(jié)構(gòu)形式，模塊與飛機(jī)的設(shè)備安裝面之間采用12個(gè)M4的螺釘進(jìn)行連接，模塊結(jié)構(gòu)形式對(duì)設(shè)備和印制板都有較好的剛度和強(qiáng)度。模塊考慮采用的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，模塊的總質(zhì)量及尺寸如表1和表2所示。

表1 設(shè)備質(zhì)量及尺寸

圖1 設(shè)備外形示意圖

表2 各模塊尺寸重量清單

3 各模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 引用標(biāo)準(zhǔn)

本設(shè)備屬于星載設(shè)備，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要參考和引用標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T13186-1991《機(jī)載多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)通用技術(shù)條件》

3.2 部分模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊的結(jié)構(gòu)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因此模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工作重點(diǎn)之一。

3.2.1 電路板組件

設(shè)備中電路板組件直接固定在屏蔽盒上，為提高電路板抗力學(xué)環(huán)境能力，除了屏蔽盒四周的安裝框架外，還應(yīng)盡可能多的設(shè)計(jì)支撐凸臺(tái)，用于增加電路板組件剛度及增加導(dǎo)熱途徑。

3.2.2電源及時(shí)鐘單元

電源及時(shí)鐘單元中的模塊重量及功耗較大，將其安裝在橫截面為15 mm×5 mm的梁上，保證足夠的強(qiáng)度和接觸面積。

3.2.3 模擬模塊

模擬模塊的功耗較小，且模塊重量相對(duì)較低，主要需要考慮的是其電磁兼容性。

3.2.4 其他

考慮抗力學(xué)環(huán)境及抗輻照要求，結(jié)構(gòu)主體厚度設(shè)計(jì)為2 mm；對(duì)于抗輻照能力差的組件或者是重要的組件，除了設(shè)備結(jié)構(gòu)2 mm的屏蔽外，還采取局部防護(hù)措施，如加鉭、鈮和鉛片進(jìn)行局部防護(hù)加固。

4 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

4.1 模態(tài)分析

4.1.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析的核心是確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)，對(duì)于一個(gè)N自由度系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為：

式中：M-質(zhì)量矩陣；C-阻尼矩陣；K-剛度矩陣；z-位移向量；F(t)-作用力向量。根據(jù)振動(dòng)理論，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)比較大[2]，高階模態(tài)可以忽略不計(jì)。在分析軟件中設(shè)定約束后進(jìn)行分析，可得設(shè)備的前5階的固有頻率及模態(tài)振型。

4.1.2 模態(tài)響應(yīng)分析

⑴簡(jiǎn)化模型

對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，由于計(jì)算機(jī)性能限制和網(wǎng)格劃分要求，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去掉對(duì)力學(xué)性能影響不大的部件和結(jié)構(gòu)[3]。

⑵材料選擇材料的選擇也是重點(diǎn)之一，選擇合適材料可以大大提高設(shè)備強(qiáng)度，同時(shí)降低設(shè)備重量。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，所有模塊選擇硬鋁2A12，此材料具有強(qiáng)度高、密度低和加工性好等特點(diǎn)，其主要特性如表3所示。

表3 材料特性

⑶模態(tài)響應(yīng)分析

本模型采用Modal分析中的Bolck Lanczos法求解設(shè)備的有限元模型的模態(tài)解，計(jì)算并擴(kuò)展了對(duì)設(shè)備振動(dòng)其主要作用的前4階模態(tài)。根據(jù)振動(dòng)理論，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)比較大，高階模態(tài)可以忽略不計(jì)[4]。在分析軟件中設(shè)定約束后進(jìn)行分析，可得設(shè)備的前4階的頻率及前4階模態(tài)振型如表4、圖2、圖3、圖4和圖5所示。

表4 前三階模態(tài)的對(duì)應(yīng)頻率

圖2 第一階模態(tài)振型

圖3 第二階模態(tài)振型

圖4 第四階模態(tài)振型

圖5 第三階模態(tài)振型

⑷結(jié)論

通過(guò)模態(tài)分析，初步分析設(shè)備的固有頻率為311.42 Hz，大于100 Hz，能滿足設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求。

4.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

4.2.1 隨機(jī)振動(dòng)分析理論

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是用來(lái)模擬航天器由噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)推力脈動(dòng)環(huán)境引起的振動(dòng)響應(yīng)，其被廣泛的應(yīng)用于航天器的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中[5]，它不僅能檢驗(yàn)產(chǎn)品經(jīng)受環(huán)境的能力而且也是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力篩選的有效手段。隨機(jī)振動(dòng)在同一時(shí)刻施加所有的振動(dòng)頻率分量能同時(shí)激起系統(tǒng)的不同振型，可以體現(xiàn)各個(gè)振型之間的相互影響。

在模態(tài)分析中，通過(guò)坐標(biāo)變換，將多自由度系統(tǒng)進(jìn)行解耦，獲得坐標(biāo)系下的頻率響應(yīng)函數(shù)，然后才有模態(tài)疊加的方法獲得原坐標(biāo)下的頻率響應(yīng)函數(shù)[6]。假設(shè)基礎(chǔ)位移激勵(lì)為：響應(yīng)位移為：

對(duì)于單點(diǎn)基礎(chǔ)位移激勵(lì)的多自由度線性系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程為[5]：

4.2.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

設(shè)備約束方式同模態(tài)分析，功率譜密度曲線譜值為0.04g2/Hz，頻率范圍為20 Hz～1 200 Hz，加載方向沿X方向。

4.2.3 結(jié)論

通過(guò)仿真計(jì)算，得到等效應(yīng)力云圖如圖6所示，可知該模型最大3σ等效應(yīng)力發(fā)生在模塊與飛機(jī)安裝面的連接處，最大應(yīng)力為111.7 MPa，低于材料的許用應(yīng)力，說(shuō)明了在隨機(jī)振動(dòng)下，材料所受的應(yīng)力超過(guò)111.7 MPa的概率為0.3%。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用SolidWorks建模軟件進(jìn)行三維建模，而后通過(guò)ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，由仿真結(jié)果可知該設(shè)備結(jié)構(gòu)在振動(dòng)條件下所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力數(shù)據(jù)支撐，有效的指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，同時(shí)提高了設(shè)備的可靠性。

[1]范文杰.星載電子設(shè)備寬頻隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析[J].電子機(jī)械工程,2010(4):5-7.

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[5]胡志強(qiáng).隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1996.

[6]龔 波,李翔龍,宋 帥.基于ANSYS的氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2012(5):31-32.