劉麗平

【摘 要】在惡劣車載工況下，電子設(shè)備機(jī)箱的隨機(jī)振動(dòng)影響產(chǎn)品的性能。論文以某車載電子設(shè)備機(jī)箱為研究對(duì)象，建立了有限元分析模型，進(jìn)行了機(jī)箱的隨機(jī)振動(dòng)分析，找出設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，基于隨機(jī)振動(dòng)條件下對(duì)機(jī)箱進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后質(zhì)量減重明顯。為該型產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可用依據(jù)。

【Abstract】Under the harsh vehicle conditions， the random vibration of electronic equipment cases will affect the performance of the product. Taking an on-board electronic equipment case as the research object， the finite element analysis mode is established， and the random vibration analysis of the cases is carried out， the weak link of the design is found out. Based on the random vibration condition， the optimization design of the cases is carried out， and the weight loss is obvious after the optimization. It provides a useful basis for the design of this type of product.

【關(guān)鍵詞】有限元分析；隨機(jī)振動(dòng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

【Keywords】finite element analysis； random vibration； optimization design

【中圖分類號(hào)】V243 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）07-0179-03

1 引言

電子設(shè)備機(jī)箱作為重要電子元器件的重要載體，對(duì)于電子設(shè)備的壽命和工作效率發(fā)揮著重要作用，特別是車載軍用電子設(shè)備機(jī)箱由于其惡劣的使用環(huán)境和工況，對(duì)這類機(jī)箱必須具有質(zhì)量輕、散熱好、工作穩(wěn)定可靠等要求。因此，這就決定了設(shè)計(jì)人員在電子設(shè)備機(jī)箱的設(shè)計(jì)中要多方面考慮，其中車載電子設(shè)備機(jī)箱的隨機(jī)振動(dòng)分析是必須要進(jìn)行的分析之一。由于理論計(jì)算的限制，這類機(jī)箱結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性的研究大部分依靠經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試手段獲得，這種設(shè)計(jì)方法成本高、周期長(zhǎng)且存在不確定因素，不易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化。因此本文采用仿真軟件對(duì)電子設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析并以該機(jī)箱壁厚為設(shè)計(jì)變量，質(zhì)量減少為目標(biāo)函數(shù)，隨機(jī)振動(dòng)下應(yīng)力和位移滿足要求為約束條件進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 動(dòng)力學(xué)特性分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)有資源和實(shí)際需求，為合理化時(shí)間和計(jì)算成本，通過忽略結(jié)構(gòu)上次要細(xì)節(jié)特征，去掉非承載件和修飾件，印制板元件去掉細(xì)小特征，并等效為均質(zhì)質(zhì)量塊等方式對(duì)機(jī)箱原模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后機(jī)箱內(nèi)部的CAD模型見圖1。注意在模型建立過程中使用ANSYS自帶的建模工具進(jìn)行建模，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，在這里選擇機(jī)箱四周壁厚值（H1，H2，V1，V2）作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

采用ANSYS Workbench對(duì)該車載電子機(jī)箱進(jìn)行有限元分析，機(jī)箱內(nèi)包含印制板1和印制板2，2塊印制板均通過楔形鎖緊機(jī)構(gòu)固定于機(jī)箱內(nèi)部，機(jī)箱的材料為鋁合金2A12，印制電路板材料為FR-4，楔形鎖緊裝置為鋁合金6063。分別在軟件中進(jìn)行材料屬性設(shè)置。

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)特性，是自己本身的特性，與外部載荷無關(guān)，模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，是進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析的基礎(chǔ)。

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的運(yùn)動(dòng)控制方程[1]：

其中[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；{U}為位移矢量；{F（t）}為力矢量；{}為速度矢量；{}為加速度矢量。

假設(shè)為自由振動(dòng)，無阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，其動(dòng)力學(xué)問題的運(yùn)動(dòng)方程為：[M]{}+[K]{U}={0}

假設(shè)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即位移為正弦函數(shù)，其動(dòng)力學(xué)問題的運(yùn)動(dòng)方程為：

（[K]-ω2[M]）{U}={0}

方程的根是ω，即特征值，其中i范圍是從i到自由度個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)的特征矢量為{u}i，特征值開平方是ω，即為結(jié)構(gòu)的固有圓頻率，固有頻率fi=ω/2π，這是輸入和輸出的固有頻率值。特征矢量{u}i表示結(jié)構(gòu)在以固有頻率fi振動(dòng)時(shí)所具有的振動(dòng)形狀。

模態(tài)分析步驟[2]：①建立模型；②選擇分析類型模態(tài)分析；③施加邊界條件和求解；④查看結(jié)果。根據(jù)實(shí)際情況，分析了該機(jī)箱的前十二階模態(tài)振型，頻率列表見圖2。

2.3 隨機(jī)振動(dòng)分析

車載電子設(shè)備機(jī)箱的振動(dòng)不是單個(gè)現(xiàn)象，而是大量現(xiàn)象的集合。這些現(xiàn)象似乎是雜亂的，但從總體上看任有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此，隨機(jī)振動(dòng)雖然不能用確定性函數(shù)描述，卻能用統(tǒng)計(jì)特性來描述。在隨機(jī)振動(dòng)問題中就只能確定輸出和輸入之間的統(tǒng)計(jì)特性關(guān)系。輸入結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有模態(tài)；輸出1б位移和應(yīng)力能夠用于疲勞壽命預(yù)測(cè)；加載單點(diǎn)激勵(lì)施加于所有地面單點(diǎn)PSD激勵(lì)；求解相對(duì)或絕對(duì)1б結(jié)果輸出；結(jié)果輸出1б位移和等效應(yīng)力。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

車載電子設(shè)備在滿足可靠性能的前提下，質(zhì)量最小化作為軍用電子機(jī)箱設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，因此在滿足GJB150.16-86中輪式戰(zhàn)斗車環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)條件下最大等效應(yīng)力值和位移作為表征量， 也即約束條件為PSD最大等效應(yīng)力σmax（H16，H17，V18，V19）≤1MPa，同時(shí)上述設(shè)計(jì)變量壁厚的初始值設(shè)定為3。根據(jù)描述，以質(zhì)量最小為控制目標(biāo)函數(shù)，機(jī)箱壁厚度為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變?cè)O(shè)計(jì)變量數(shù)值來取得。可知優(yōu)化目標(biāo)為整機(jī)質(zhì)量M極小化。

根據(jù)前述描述機(jī)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇DX模塊提供的GDO（Goal driven optimization ）對(duì)上述問題進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)變量值，提取樣本見圖7，計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的響應(yīng)結(jié)果，利用二次插值函數(shù)構(gòu)造設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面或曲線，最終基于響應(yīng)面給出優(yōu)化結(jié)果?？梢远ǔ鲂枰蠼獾脑O(shè)計(jì)重點(diǎn)，使用最有效的方式得到最佳化結(jié)果見圖8中結(jié)果CandidateA。

4 結(jié)語

對(duì)車載電子設(shè)備機(jī)箱的隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行有限元分析，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)該設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

①分析了該機(jī)箱的前十二階模態(tài)，發(fā)現(xiàn)印制電路板1和印制電路板2是設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，屬于易發(fā)生共振，設(shè)計(jì)時(shí)需避免。模態(tài)分析得到的振型和頻率，為機(jī)箱剛度的提高和減振設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

②優(yōu)化后，在PSD最大等效應(yīng)力和位移不增大的前提下，該機(jī)箱整體質(zhì)量減輕6.25%，效果明顯。

③隨機(jī)振動(dòng)分析和優(yōu)化，為實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)，減少設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期。隨著整體建模技術(shù)的發(fā)展系統(tǒng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高。

【參考文獻(xiàn)】

【1】季文美，方同，陳松淇.機(jī)械振動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

【2】蒲廣益.Ansys Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.