姜昊，張立中，李小明，高藝

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

某車(chē)載平臺(tái)電子設(shè)備抗振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜昊1，張立中1，李小明1，高藝2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

針對(duì)某車(chē)載平臺(tái)所受外界的力學(xué)環(huán)境影響，提高電子設(shè)備抗振動(dòng)能力等問(wèn)題，研究電子設(shè)備抗振系統(tǒng)理論，建立了動(dòng)力學(xué)微分方程，通過(guò)減振器的布局方式研究，分析了不同布局方式下的振動(dòng)耦合情況，完成了減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)。按照外界力學(xué)環(huán)境參數(shù)對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析和沖擊響應(yīng)分析。通過(guò)有限元分析方法驗(yàn)證和分析，驗(yàn)證了減振系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明，基于某車(chē)載平臺(tái)完成的減振系統(tǒng)提高電子設(shè)備抗振動(dòng)能力。

電子設(shè)備；有限元模型；減振器；隨機(jī)振動(dòng)；沖擊響應(yīng)

電子技術(shù)的發(fā)展使車(chē)載平臺(tái)電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，復(fù)雜的外界環(huán)境會(huì)對(duì)車(chē)載平臺(tái)電子設(shè)備工作的可靠性產(chǎn)生很大的影響。軍用電子設(shè)備除了要滿(mǎn)足產(chǎn)品的電氣性能指標(biāo)外，還應(yīng)提高設(shè)備抵抗外界環(huán)境振動(dòng)的能力。在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中，電子設(shè)備常受到來(lái)自振動(dòng)、沖擊、離心力以及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力等機(jī)械力，其中危害最大的是振動(dòng)和沖擊，造成的危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面［1］:

（1）電子設(shè)備受環(huán)境振動(dòng)影響，在自身的固有頻率下產(chǎn)生較大的共振，內(nèi)部的印制電路板因振幅較大停止工作，或者由于沖擊所產(chǎn)生的沖擊力超過(guò)設(shè)備的強(qiáng)度極限值而使設(shè)備破壞。

（2）電子設(shè)備在車(chē)載平臺(tái)上受振動(dòng)和沖擊引起的應(yīng)力雖然低于材料在靜載荷下的極限值，但長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)或沖擊的累計(jì)作用易使設(shè)備產(chǎn)生疲勞破壞。

在電子設(shè)備抗振系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境要求，采用鋼絲繩減振器對(duì)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行衰減［2］，通過(guò)建立力學(xué)模型，計(jì)算抗振系統(tǒng)中減振器的參數(shù)以及合理布局，保證電子設(shè)備正常工作。

1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)及平臺(tái)力學(xué)特性

車(chē)載電子設(shè)備火炮性能測(cè)試系統(tǒng)主要由車(chē)載控制箱（采集箱、存儲(chǔ)箱）、GPS天線(xiàn)、光學(xué)測(cè)頭、圖像顯示系統(tǒng)以及傳輸裝置等構(gòu)成，如圖1所示。其中火炮性能測(cè)試系統(tǒng)車(chē)載控制箱包含數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元；而光學(xué)測(cè)頭包含夾具和CCD相機(jī)。

圖1 電子設(shè)備系統(tǒng)示意圖

1.1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)

電子設(shè)備工作的可靠性由電子箱來(lái)保護(hù)，電子箱結(jié)構(gòu)形式為尺寸較小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般用于中小型電子設(shè)備，六面體的結(jié)構(gòu)形式，可以為正方體或長(zhǎng)方體，形成一個(gè)外殼，保護(hù)其內(nèi)部的電子設(shè)備［4］。

電子箱形狀大多為長(zhǎng)方體，形式可以分為整體加工、組裝拼接和焊接加工三種。其中焊接不太實(shí)用，受材料限制且易發(fā)生變形，故不在討論范圍之中。整體加工法是由數(shù)控加工中心把整塊方形料銑出個(gè)方槽，只留有5個(gè)薄邊，再單做一個(gè)上蓋板子，之后裝配而成。其優(yōu)點(diǎn)是做出來(lái)的箱體內(nèi)壁光滑，外邊框結(jié)構(gòu)比較結(jié)實(shí)，屏蔽性比較好；缺點(diǎn)是箱子比較沉重，不便攜帶。組裝拼接法，分別加工出6個(gè)側(cè)板，都留有安裝定位孔，最后組裝而成。其優(yōu)點(diǎn)是加工成本比較低、容錯(cuò)率比較好；缺點(diǎn)是安裝拆卸不方便，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)不結(jié)實(shí)。電子箱常用結(jié)構(gòu)材料為鋁合金、鈑金和鋼型材等。電子箱形式分別如圖2和圖3所示。

圖2 電子箱形式

圖3 電子箱實(shí)物圖

1.2 車(chē)載平臺(tái)力學(xué)特性

車(chē)載電子設(shè)備所承受的振動(dòng)、沖擊與車(chē)行駛路面的譜特性、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，以及自身的懸掛系統(tǒng)和裝載質(zhì)量等眾多因素有關(guān)。作為電子設(shè)備的安裝平臺(tái)和載體，車(chē)載平臺(tái)的振動(dòng)和沖擊情況直接反映了電子設(shè)備所承受的激振幅值的大小，當(dāng)選定某車(chē)載平臺(tái)，就需要依據(jù)實(shí)際的振動(dòng)偏頻，對(duì)電子設(shè)備和車(chē)身聯(lián)接以及其布局與安裝進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

根據(jù)電子設(shè)備外界環(huán)境輸入及機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，已知以下參數(shù)，電子設(shè)備總重量在9～10kg之間，安裝在坦克車(chē)炮塔頂。該坦克車(chē)所受的隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍為5～200Hz，其中在5～7Hz范圍內(nèi)為等幅振動(dòng)，雙邊振幅為25.4mm；而在7～200Hz范圍內(nèi)為等加速度振動(dòng)，加速度為2.5G。沖擊為后峰鋸齒波脈沖，鋸齒脈沖的峰值加速度（上下軸向的垂直速度）為40G，持續(xù)時(shí)間為11ms；鋸齒脈沖的峰值加速度（觀瞄，射擊軸向的前后速度）為75G，持續(xù)時(shí)間為6ms［6］。其中，振動(dòng)能量主要在0～40Hz，一般減振器對(duì)設(shè)備低頻振動(dòng)的隔振效果并不明顯，甚至有放大作用。所以，降低電子設(shè)備的低頻振動(dòng)是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。

2 抗振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證電子設(shè)備在車(chē)在平臺(tái)的可靠性，減少振動(dòng)和沖擊的破壞，對(duì)電子箱進(jìn)行抗振系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行研究。

2.1 理論模型建立及分析

根據(jù)本文車(chē)載平臺(tái)的特點(diǎn)，把減振系統(tǒng)的力學(xué)模型簡(jiǎn)化，如圖4所示。其中，x(t)為支撐結(jié)構(gòu)位移量，y(t)表示隨時(shí)間t的變化，測(cè)試電子設(shè)備距離原平衡位置的位移量，故彈簧自身長(zhǎng)度為y(t)-x(t)，進(jìn)而可得阻尼的相對(duì)速度為根據(jù)力學(xué)模型，可以得出運(yùn)動(dòng)微分方程表達(dá)式［7］:

當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)位移量x(t)=Xsin(ωt)時(shí)，帶入上式（1）得:

由式（2），解得結(jié)果為y(t)=Ysin(ωt-φ)，并且已知

故可以求位移量之比Y/X，也稱(chēng)為振動(dòng)傳遞率，記作η。

圖4 減振系統(tǒng)力學(xué)模型

用Matlab數(shù)學(xué)軟件［3］，把式（5）繪制成為振動(dòng)傳遞率曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖5 振動(dòng)傳遞率曲線(xiàn)

由圖中傳遞率曲線(xiàn)曲線(xiàn)，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）當(dāng)r=0時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率η=1，并且，r越趨近于0，η隨之趨近于1。和實(shí)際的工程情況一致。

（4）振動(dòng)傳遞率曲線(xiàn)，η和r的取值與ζ的大小無(wú)關(guān)，不影響振動(dòng)傳遞率曲線(xiàn)的走向。

2.2 減振器的布局方式

采用減振器作為支撐系統(tǒng)，減振的效果取決于設(shè)備的重心位置、減振器自身的剛度強(qiáng)度和減振器的布局安裝等［5］。

電子設(shè)備重心位置的選擇起著關(guān)鍵性的作用。一般布局方式分為兩大類(lèi)，非耦合振動(dòng)和耦合振動(dòng)布局。如圖6和圖7所示。

圖6 非耦合振動(dòng)布局方式

圖7 耦合振動(dòng)布局方式

圖6（a）電子設(shè)備結(jié)構(gòu)受振動(dòng)作用繞重心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)發(fā)生兩邊彈簧伸長(zhǎng)量不同。當(dāng)振動(dòng)作用消失后，結(jié)構(gòu)將會(huì)以回轉(zhuǎn)方式反復(fù)振動(dòng)。然后振動(dòng)方向沿重力方向作用，兩邊的彈簧伸縮量相同。振動(dòng)作用消失后，結(jié)構(gòu)將會(huì)以上下平移方式振動(dòng)。因兩邊彈簧安裝位置相對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)重心對(duì)稱(chēng)，且阻尼和彈性剛度相同，所以回轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)互不干擾，稱(chēng)為非耦合振動(dòng)。在圖6（b）中，即管兩邊彈簧安裝位置與設(shè)備結(jié)構(gòu)重心不對(duì)稱(chēng)，但彈簧的彈性剛度按比例大小進(jìn)行選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)和兩種運(yùn)動(dòng)互不影響，也稱(chēng)為非耦合振動(dòng)。

反之，圖7中的布局方式，回轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)互相干擾，為耦合振動(dòng)。

為了使車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)工作在平穩(wěn)環(huán)境，在固定安裝板底部設(shè)有四個(gè)支撐點(diǎn)，且安裝固定板上的存儲(chǔ)箱和采集箱子，它們總質(zhì)量的重心位置落在四個(gè)支撐點(diǎn)所圍成矩形的中心，選用4個(gè)相同彈性剛度的減振器。如圖8所示。

圖8 電子設(shè)備減振器安裝布局形式

圖9 電子設(shè)備裝配實(shí)物圖

已知電子箱質(zhì)量大小設(shè)為M，安裝固定板底部四角有四個(gè)鋼絲繩減振器，數(shù)量為n=4。由圖8知，減振器分布是關(guān)于中心點(diǎn)中心對(duì)稱(chēng)，各個(gè)減振器所受載荷為wi=M/4。安裝的示意圖如9所示。如果減振器的分布不是關(guān)于中線(xiàn)點(diǎn)中心對(duì)稱(chēng)，則由以下計(jì)算公式:

一般情況，四個(gè)減振器選用相同的型號(hào)，如果電子箱外尺寸比較大，長(zhǎng)和高都很大，就要考慮增加支撐點(diǎn)數(shù)量，增加水平方向或垂直方向減振器數(shù)量。否則，測(cè)試電子設(shè)備質(zhì)量過(guò)大，且支撐點(diǎn)之間距離跨度很大，使安裝固定板的剛度、強(qiáng)度難以保證，從而對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

2.3 減振器的選型

電子設(shè)備底部安裝減振系統(tǒng)［3］，研究四個(gè)減振器所承受的載荷，存儲(chǔ)箱質(zhì)量為m1=4kg，采集箱質(zhì)量為m2=10kg，存儲(chǔ)箱的數(shù)量為一個(gè)到四個(gè)，所以選用四個(gè)存儲(chǔ)箱一起用，采集箱為一個(gè)。

選用抗振系統(tǒng)減振器步驟:

（1）根據(jù)車(chē)載平臺(tái)的自身環(huán)境因素，合理布置支撐點(diǎn)及每個(gè)支撐點(diǎn)的負(fù)荷wi。

（2）確定測(cè)試系統(tǒng)的額振動(dòng)形式和實(shí)際的受力情況，根據(jù)激振頻率范圍，初步確定抗振系統(tǒng)的固有頻率f0。

（3）計(jì)算得出抗振系統(tǒng)的靜剛度K、靜位移X=w/k。

式中:K為系統(tǒng)的精剛度，X=w/k；w為減振器所承受的重量載荷；g為重力加速度取9.8m/s2。

（4）根據(jù)所計(jì)算出的靜剛度K、靜位移X和支撐點(diǎn)負(fù)荷wi，初步選擇了減振器的類(lèi)型和型號(hào)。

（5）根據(jù)初選減振器的固有頻率f0，計(jì)算減振器的靜剛度值K與實(shí)際減振器的靜剛度值k0作比較，選用數(shù)值相差不大的減振器型號(hào)，否則，減振器采用并聯(lián)方式安裝。

由上式（7）可以得出每個(gè)減振器所承受的載荷，wi=M/4?？傎|(zhì)量M=4×m1+m2。

計(jì)算求得每個(gè)減振器所承受的載荷:

再設(shè)定減振系統(tǒng)的固有頻率f0=10Hz，根據(jù)式（7）得靜剛度:

把所得結(jié)果帶入，可得位移變化量:

掌握了電子箱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本參數(shù)，選用遼寧同澤減振器有限公司的GG-1241型金屬鋼絲繩減振器（如圖10所示）性能穩(wěn)定，耐高溫，使用壽命長(zhǎng)，可適用不同要求的彈性支撐。其主要參數(shù):額定負(fù)載5kg，靜變位移率2～4mm，其垂向方向動(dòng)剛度為16.74kg/cm。

帶入式（7），可以求得減振器自身固有頻率:

上述分析，本設(shè)計(jì)選擇遼寧同澤減振器有限公司的GG12-41型金屬鋼絲繩減震器，如圖7所示。此系列減震器固有頻率控制在20Hz以?xún)?nèi)，性能穩(wěn)定，耐高溫，使用壽命長(zhǎng)，可適用不同要求的彈性支撐。其主要參數(shù):額定負(fù)載10kg，靜變位移率3～4mm，固有頻率共振區(qū)在8～15Hz之間。

圖10 鋼絲繩減振器

3 電子設(shè)備有限元分析及驗(yàn)證

3.1 電子箱隨機(jī)振動(dòng)和沖擊響應(yīng)分析

隨機(jī)振動(dòng)的特點(diǎn)為激勵(lì)或響應(yīng)不能用時(shí)間的確定性函數(shù)來(lái)描述。它具有不確定性。隨機(jī)振動(dòng)用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述隨機(jī)過(guò)程。對(duì)于受隨機(jī)激勵(lì)的定常系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)只有激勵(lì)的隨機(jī)性來(lái)決定，因此對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析就是定常系統(tǒng)在隨機(jī)激勵(lì)作用的響應(yīng)分析［8］。

沖擊響應(yīng)的特點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間很短，一般十幾毫秒，小于測(cè)試電子設(shè)備的固有周期，且峰值很大。在國(guó)軍標(biāo)GJB150.18-86中規(guī)定了軍用設(shè)備的沖擊試驗(yàn)方法，一般情況來(lái)講，采用后峰鋸齒波脈沖和半正弦波來(lái)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)

本設(shè)計(jì)采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行仿真模擬［9］。把三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，建立模型并劃分網(wǎng)格，單元格為4mm，用Hex Dominant Method方法，如圖11所示。環(huán)境振動(dòng)PSD功率譜密度表，見(jiàn)表1所示。

圖11 網(wǎng)格劃分

表1 功率譜率譜密度

沖擊響應(yīng)選擇后峰鋸齒波進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分別在Z方向（垂直方向）和Y方向（前后）施加后峰鋸齒波脈沖，其中Z方向的峰值加速度為40G，持續(xù)時(shí)間為11ms；Y方向的峰值加速度為75G，持續(xù)時(shí)間為6ms。在ANSYS Workbench中擬合出的沖擊脈沖波形如圖12所示加隨機(jī)振動(dòng)得出分析結(jié)果如圖13和圖14所示。沖擊響應(yīng)分析如圖15和圖16所示。加隨機(jī)振動(dòng)得出分析結(jié)果如圖13和圖14所示。沖擊響應(yīng)分析如圖15和圖16所示。

圖12 Y和Z方向施加的加速度載荷波形圖

施加隨機(jī)振動(dòng)得出分析結(jié)果如圖13和圖14所示。沖擊響應(yīng)分析如圖15和圖16所示。

圖13 印制板隨機(jī)振動(dòng)等效應(yīng)力云圖

圖14 Z方向隨機(jī)振動(dòng)加速度PSD響應(yīng)譜

圖15 印制板沖擊響應(yīng)的等效應(yīng)力圖

圖16 印制板Z方向鋸齒波沖擊響應(yīng)曲線(xiàn)

在圖14中，節(jié)點(diǎn)Q加速度均方值為3901mm/s2且有三個(gè)峰值，分別為53.197Hz、146.07Hz、155.25Hz，其中146.07Hz和155.25Hz比較接近。

從圖16中可以看出印制電路板加速度曲線(xiàn)的變化，施加加速度載荷大小、方向和持續(xù)時(shí)間的不同，有著不同變化形式。其中，印制電路板Z方向最大加速度值為21.1m/s2。

3.2 減振系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

在電子箱底部安裝4個(gè)GG-1241型金屬鋼絲繩減振器，分別布置在電子箱底端的四個(gè)邊角。根據(jù)前文所得出鋼絲繩減振器參數(shù)，設(shè)定減振器彈性剛度K=50000N/m，減振器系統(tǒng)由Workbench中彈簧阻尼模塊來(lái)模擬，并分別對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行垂向方向的PSD功率譜載荷和沖擊加速度。因電子設(shè)備中印制板是最薄弱的環(huán)節(jié)，在有限元分析后處理中，提取分析結(jié)果，如圖17、圖18和表2所示。

圖17 Z方向加速度曲線(xiàn)

圖18 印制板Z方向鋸齒波沖擊響應(yīng)曲線(xiàn)

表2 印制電路板加速度

從圖17可以得出，印制板在145Hz處達(dá)到最大值，均方根為2202.2mm/s2（0.22g），相比沒(méi)加減振系統(tǒng)模型節(jié)點(diǎn)Q減少了44.6%。

通過(guò)安裝減振系統(tǒng)，雖然還存在共振峰值，但是印制電路板的加速的PSD響應(yīng)幅值已經(jīng)降低了很多。為了增強(qiáng)減振系統(tǒng)的減振效果，可以考慮減振器與電控箱連接處增添減振墊。

從圖18中可知印制電路板在Z方向有兩個(gè)比較高的峰值，其原因?yàn)閆、Y方向和重力加速度持續(xù)時(shí)間和結(jié)束時(shí)間不同。繪制印制板加速度，見(jiàn)表2所示。當(dāng)7ms左右Z方向產(chǎn)生了最大加速度為14.7m/s2，約為1.5g，不安裝減振系統(tǒng)的模型的最大峰值加速度減少了30%（21.6m/s2）。

從上圖可以得知，測(cè)試電子設(shè)備在施加后峰鋸齒脈沖后，減振系統(tǒng)（鋼絲繩減振器）起到顯著的作用，優(yōu)點(diǎn)主要包含:（1）電子設(shè)備在受到外界沖擊脈沖后，因材料的差異，印制電路板承受沖擊加速度易對(duì)其自身產(chǎn)生破壞，且加速度大小多為外界沖擊脈沖最大值。安裝減振系統(tǒng)后，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減振系統(tǒng)和固定安裝板為一個(gè)整體，外界沖擊脈沖一定情況下，因此印制電路板自身加速度會(huì)減少。（2）安裝減振系統(tǒng)后，一部分振動(dòng)能量被鋼絲繩減振器所吸收，能量衰減比較快，恢復(fù)時(shí)間縮短。其缺點(diǎn)是占用空間比較大。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期以來(lái)，電子設(shè)備在各個(gè)平臺(tái)減振、抗沖擊和防護(hù)是一個(gè)重要課題。本文根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和方法。對(duì)車(chē)載平臺(tái)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)和減振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真軟件驗(yàn)證了其正確性和可行性，且在坦克上獲得了成功。因此，在車(chē)載平臺(tái)電子設(shè)備抗振系統(tǒng)具有良好的減振作用，為電子設(shè)備正常工作提供了保障。

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Anti-vibration Systems Design of
A Vehicle Platform Electronic Equipment

JIANG Hao1，ZHANG Lizhong1，LI Xiaoming1，GAO Yi2
（1.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Mechanics for the environmental impact of a vehicle platform suffered outside，improve electronic equipment vibration resistance and other issues，study on Electronic Equipment vibration system theory，the dynamic differential equations by the shock absorber layout，analyzes the situation is different vibration coupling layout mode，completing the damping system design.According to the mechanical response of the external environmental parameters for electronic device structure random vibration analysis and shock.Verification and analysis to verify the validity of the damping system by finite element method.The results showed that，based on a complete vehicle platform damping system to improve electronic equipment vibration resistance.

electronic equipment；finite element model；shock absorber；random vibration；shock response

TH113

A

1672-9870（2016）05-0013-07

2016-02-23

姜昊（1989-），男，碩士研究生，E-mail:583026593@qq.com

高藝（1968-），女，副教授，E-mail:gaoyicust2006@126.com