郭張霞，田家林，裴暢貴

（中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

在導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展過程中，工程人員常以初次飛行數(shù)據(jù)為依據(jù)，對導(dǎo)彈進行后期的研究與改進工作。同時現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對導(dǎo)彈技術(shù)性能要求不斷提高，工程人員越來越重視彈上飛行數(shù)據(jù)的收集與分析工作［1］，在這種綜合環(huán)境下彈載信息采集設(shè)備便應(yīng)運而生。對于這類彈載電子設(shè)備除了要滿足產(chǎn)品自身的電氣性能指標外，還應(yīng)具備在各種苛刻的機械動態(tài)環(huán)境下正常工作的能力［2］。根據(jù)大量數(shù)據(jù)顯示，彈載電子設(shè)備在實際運用中常受到來自振動、沖擊、離心力以及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力等機械外力的破壞，其中危害最大的就是振動與沖擊［3］。有研究結(jié)果表明：由振動和沖擊引起的電子系統(tǒng)的失效比例高達 27%［4］。

為了使彈載信息采集設(shè)備可以在整個導(dǎo)彈飛行過程中保持正常工作的能力，使其能夠克服各種強振動、強沖擊的惡劣環(huán)境，就必須對其進行抗沖擊與減振設(shè)計［5-6］。

1 電子設(shè)備減振相關(guān)理論分析

多自由度振動基本原理與單自由度相同，建立減振系統(tǒng)運動方程如下［7］：

其中，［M］、［C］、［K］分別為減振對象質(zhì)量、阻尼與剛度矩陣，{y}、{x}分別為基礎(chǔ)支撐運動位移與減振對象（信息采集設(shè)備）振動響應(yīng)位移。

令{u}為彈載設(shè)備相對基礎(chǔ)支撐的位移向量，則式（1）可轉(zhuǎn)化為：

彈載電子設(shè)備減振系統(tǒng)初步采用底部安裝4個減振器的減振方法［8-10］，同時各減振器安裝位置對稱分布于兩個慣性主軸平面。

同時采用模態(tài)疊加法對式（2）進行求解，可得模態(tài)矩陣：

其中，ξi為第i階模態(tài)特征向量，定義模態(tài)坐標{Q}={q1，q2，q3，q4，q5，q6}，位移向量可表示為：

由式（5）可以看出振動系統(tǒng)已解耦，因而可依據(jù)單自由度振動公式計算得出qi，將其代入式（4）則可求得設(shè)備各敏感元件或組件振動響應(yīng)結(jié)果。

2 信息采集設(shè)備振動特性分析

2.1 信息采集設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化及有限元建模

對設(shè)備進行結(jié)構(gòu)簡化如圖1所示。

圖1 設(shè)備裝配關(guān)系簡化前后

電源模塊包含二次電源電路板、隔離電源、濾波器與二次電源各1個，如圖2（a）所示；光纖連接器模塊包含4個光纖連接器，如圖2（b）所示；探測器電路模塊包含1塊探測器電路主控板與6塊探測器電路板，如圖2（c）所示。

2.2 設(shè)備固有動態(tài)特性分析

設(shè)備前10階模態(tài)參數(shù)如表1所示。

圖2 設(shè)備關(guān)鍵部位重點元器件編號說明

表1 設(shè)備前10階模態(tài)諧振點

2.3 設(shè)備總體振動力學(xué)分析

在模態(tài)分析階段提取前2000 Hz以內(nèi)的共振頻率值及相應(yīng)振型。初步設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼為：0.025。分布云圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備的應(yīng)力與位移分布云圖

仿真結(jié)果分析：X向最大應(yīng)力部位左側(cè)螺釘連接處（27.316 Mpa）最大位移部位光源發(fā)生模塊右上端（0.102 mm）；Y向最大應(yīng)力部位右側(cè)螺釘連接處（14.86 Mpa）最大位移部位上蓋中間靠近光纖連接器處（0.039 mm）；Z向最大應(yīng)力部位安裝板中間部位（14.07 Mpa）最大位移部位上蓋中間靠近光纖連接器處（0.029 mm）。

2.4 電源模塊振動特性分析

2.4.1 電源模塊振動力學(xué)分析

其響應(yīng)應(yīng)力與位移分布云圖如下頁圖4所示。

仿真結(jié)果分析：X向最大應(yīng)力部位二次電源左下方（3.22 Mpa）最大位移部位二次電源電路板右下方（0.010mm）；Y向最大應(yīng)力部位二次電源下方中間（4.01 Mpa）最大位移部位二次電源電路板右上方（0.012 mm)；Z向最大應(yīng)力部位二次電源下方中間（0.17 Mpa）最大位移部位隔離電源右下端（0.0085 mm）。

由此可以得出電源模塊在設(shè)備主箱體上的安裝部位在Y方向剛度最弱，X方向其次，Z方向最強，可知，受Y方向振動時最容易對設(shè)備電源模塊造成疲勞破壞。

2.4.2 電源模塊隨機振動響應(yīng)曲線分析

完成仿真計算后，對設(shè)備電源模塊各元器件的振動響應(yīng)量級進行記錄，如表2所示。

圖4 設(shè)備電源模塊的應(yīng)力與位移分布云圖

表2 設(shè)備電源模塊各元器件響應(yīng)振動量級參數(shù)表

由表2看出，設(shè)備電源模塊受Y方向振動時的響應(yīng)量級明顯高于其他兩個方向，從而可以進一步驗證，電源模塊在設(shè)備主箱體上的安裝部位在Y方向上剛度最弱，X方向其次，Z方向最強。受Y向振動時，隔離電源最容易發(fā)生振動破壞。

隔離電源其3個方向上的振動響應(yīng)功率譜曲線如圖5所示。

圖5 不同方向隔離電源振動功率譜響應(yīng)曲線

其中，隔離電源受Y方向振動時的響應(yīng)量級最大，在20 Hz～2000 Hz范圍內(nèi)發(fā)生了3次共振，其中最高共振峰所對應(yīng)的諧振頻率為1046.9 Hz；受X方向振動時隔離電源共發(fā)生了2次共振，其諧振頻率分別為1242 Hz與1815.4 Hz，與設(shè)備模態(tài)分析結(jié)果基本吻合。

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，設(shè)備受Y向振動時，各元器件的振動響應(yīng)功率譜密度對比曲線如圖6所示。

圖6 受Y向振動時各元器件響應(yīng)功率譜密度對比曲線

綜上所述，從設(shè)備電源模塊總體振動響應(yīng)結(jié)果來看，對電源模塊影響最為嚴重的振動方向為Y方向，其次為X方向，最小為Z方向，從電源模塊各元器件的響應(yīng)曲線來看，各元器件受同一方向振動時的響應(yīng)曲線規(guī)律相同。

3 信息采集設(shè)備減振方案設(shè)計與分析

3.1 減振方案設(shè)計

采用的整體減振與局部減振相結(jié)合的減振方案。

3.2 探測器電路板模塊抗振加固設(shè)計

對于印制電路板的抗振加固設(shè)計，主要有兩種方式：一是增加印制板厚度；二是對印制板背部添加加強筋。

3.2.1 增加電路板的厚度

3種厚度印制板的模態(tài)仿真結(jié)果如表3、表4所示。

表3 不同印制電路板厚度固有頻率對比

表4 不同印制電路板厚度隨機振動響應(yīng)對比

增加印制板厚度可有效提高探測器電路模塊的抗振性能。

3.2.2 背部添加加強筋

根據(jù)前期振動響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，探測器印制電路板上端剛性較弱，底部由于直接與插針相連，剛度一定程度上有所提高，因此，加強筋的安裝位置如圖7所示。

圖7 加強筋安裝示意圖

隨機振動分析結(jié)果如表5所示，其加速度與位移響應(yīng)云圖分別如圖8、圖9所示。

表5 不同印制電路板厚度隨機振動響應(yīng)對比

圖8 探測器印制電路板振動加速度響應(yīng)對比

圖9 探測器印制電路板振動位移響應(yīng)對比

對印制電路板背部添加加強筋可有效提高探測器模塊的抗振性能。

綜上所述，隨著印制板厚度的增加，探測器印制電路板的剛度不斷提高；對印制電路板背部添加加強筋同樣可以增大探測器印制電路板的剛度。但在印制電路板的厚度過大時，將大大增加探測器集成器件的焊接難度。經(jīng)綜合考慮，采用增加探測器印制板厚度為2 mm和背部添加加強筋相結(jié)合的方式進行抗振設(shè)計。

3.3 設(shè)備整體減振設(shè)計

設(shè)備減振器裝配圖如圖10所示。

圖10 設(shè)備外部減振器裝配圖及安裝位置

3.3.1 電源模塊減振分析

整體減振后電源模塊中4個元器件的振動響應(yīng)量級如表6所示，同時對比表2，可以計算得出電源模塊各元器件的減振效率如表7所示。

表6 電源模塊各元器件振動響應(yīng)量級

表7 電源模塊各元器件減振效率

表7中各元器件的減振效率均高于45%，滿足設(shè)計要求，其中Y向振動的減振效率最高，X向減振效率其次，Z向減振效率最弱。為了更加詳細了解各元器件的減振情況，分別受X、Y、Z向振動時各元器件的響應(yīng)功率譜密度對比曲線分別如下頁圖11所示。

根據(jù)彈載信息采集設(shè)備減振后電源模塊的振動響應(yīng)結(jié)果，此種減振方案已經(jīng)滿足了減振設(shè)計要求。

4 結(jié)論

在彈載信息采集設(shè)備的振動分析及減振設(shè)計過程中取得如下研究成果。

1）對彈載信息采集設(shè)備三維模型進行簡化及等效建模，顯著提高了有限元仿真的計算效率，大大縮短了運算時間。

圖11 振動電源模塊各元器件響應(yīng)功率譜密度曲線

2）通過對彈載信息采集設(shè)備進行模態(tài)分析與隨機振動分析，得出設(shè)備各關(guān)鍵模塊的振動響應(yīng)規(guī)律，即設(shè)備各關(guān)鍵模塊主要在高頻階段發(fā)生共振，這為信息采集設(shè)備減振系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

3）在彈載信息采集設(shè)備減振系統(tǒng)的仿真分析過程中，完成減振器的等效模擬及減振系統(tǒng)振動特性分析，為以后減振系統(tǒng)的有限元仿真提供參考。

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