杜天堯，甘治中，陳毓彬

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009）

0 引言

隨著電連接器的快速發(fā)展，現(xiàn)場可更換模塊（LRM）模塊化連接器的應(yīng)用越來越廣泛。在新一代通訊技術(shù)應(yīng)用的帶動下，為了提高維修性能，越來越多的通訊、商用飛機(jī)開始選用LRM模塊化連接器。目前LRM模塊化連接器系列的應(yīng)用領(lǐng)域已從航空、通訊領(lǐng)域發(fā)展到航天、兵器、船舶和電子等領(lǐng)域。LRM模塊化表面貼裝連接器系列的系統(tǒng)主要應(yīng)用在商用大飛機(jī)和四代機(jī)等大型設(shè)備上[1-4]。LRM微小型表面貼裝模塊化連接器是用于LRM模塊到背板的連接，在美國先進(jìn)的商用飛機(jī)上大量使用，其有以下幾點(diǎn)卓越的特點(diǎn)：

a）LRM模塊化連接器可現(xiàn)場快速更換模塊，傳輸速率可達(dá)3.125 Gbps，采用刷狀接觸件，插拔力輕，點(diǎn)位自定義等；

b）LRM模塊化連接器在系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)和功能上是相對獨(dú)立的單元，故障定位可以達(dá)到LRM一級，可以通過更換LRM模塊化連接器模塊而排除故障；

c）采用LRM、智能化的機(jī)內(nèi)自檢、二級維修體制，使維修成本大大地降低；

d）根據(jù)任務(wù)需要動態(tài)地組織LRM硬件，出現(xiàn)故障后則可進(jìn)行動態(tài)重構(gòu)，使系統(tǒng)繼續(xù)維持原有的功能，即達(dá)到容錯的目的。

1 項目背景

國內(nèi)某公司研制的LRM模塊化連接器在進(jìn)行隨機(jī)振動試驗時出現(xiàn)接觸件大于1μs的電不連續(xù)情況，中止試驗，隨后對失效產(chǎn)品進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)模塊化連接器插頭產(chǎn)品表貼端的部分引腳從折彎根部折斷，如圖1所示。

圖1 失效樣品圖

針對上述問題，為了確定LRM模塊化連接器振動試驗失效的真實(shí)原因，便于采取針對性的措施，與研制單位一起采用演繹法人工建立故障樹，從各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、排查原因。建立LRM模塊化連接器隨機(jī)振動試驗失效的模式故障樹。從設(shè)計不合理、生產(chǎn)質(zhì)量管控不合格、試驗過程損傷和振動夾具幾個方面進(jìn)行分析；通過分析，排除了設(shè)計不合理、生產(chǎn)質(zhì)量管控不合格等問題，并定位到是由于試驗振動夾具有問題所致。

本文以LRM模塊化連接器為研究對象，對現(xiàn)有夾具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗證。首先，針對仿真結(jié)果提出當(dāng)前夾具具有振動放大效應(yīng)的假設(shè)；然后，提出了兩種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對這兩種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，判斷其振動效果，從而驗證前面的假設(shè)是否成立；最后，選定一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，進(jìn)行實(shí)際操作，使得產(chǎn)品通過振動試驗。主要進(jìn)行了以下兩個方面的工作。

a）振動夾具結(jié)構(gòu)仿真

應(yīng)用仿真手段，模擬夾具在實(shí)際振動條件下的性能，為驗證夾具設(shè)計的不合理提供了可靠的依據(jù)。

b）驗證新結(jié)構(gòu)夾具的振動性能

利用ANSYS結(jié)構(gòu)仿真，計算改進(jìn)結(jié)構(gòu)夾具在當(dāng)前振動條件下的振動性能，為后續(xù)的實(shí)際試驗選定一種最可靠的方案。

2 現(xiàn)有的振動夾具分析

2.1 ANSYS有限元分析

有限元法是一種模擬計算分析近似值的方法，通過計算機(jī)協(xié)助完成。它是對連續(xù)范圍展開若干單元結(jié)構(gòu)的細(xì)密分割來計算得到求解數(shù)的近似值，是對復(fù)雜事物的結(jié)構(gòu)和問題的一種極為有效的分析手段。不少工程分析的問題，就可以利用有限元法在確定范圍條件下對其控制方程進(jìn)行模擬計算。例如：應(yīng)力應(yīng)變計算分析、振動工礦的計算分析等等[5]。

有限元法的基本思維解決方法是通過對連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，在連續(xù)結(jié)構(gòu)內(nèi)創(chuàng)建有限個單元，并且在這些分割出的單元中設(shè)置若干個節(jié)點(diǎn)，分割出的單元僅在節(jié)點(diǎn)處聯(lián)系，將連續(xù)結(jié)構(gòu)替換為這一系列單元的集合體。通過力學(xué)問題的部分變分法則創(chuàng)建有限元關(guān)系方程來計算出單元的解，進(jìn)而通過迭代的方式求出整個系統(tǒng)的近似值。

有限元分析是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是建立在計算機(jī)相關(guān)軟件的計算求解的基礎(chǔ)上的。目前公司已有的有限元分析軟件有ADINA、ANSYS和當(dāng)前在建智能制造項目的NX Nastran，本文選用ANSYS來進(jìn)行振動性能驗證。

2.2 結(jié)構(gòu)振動分析

振動分析主要是看產(chǎn)品在振動過程中最大應(yīng)力是否超出材料的屈服強(qiáng)度，通常而言，最大應(yīng)力的發(fā)生位置是在產(chǎn)品共振處，而共振點(diǎn)一般發(fā)生在物體的一階模態(tài)頻率處，因此首先要對產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)分析，找到其共振頻率。

模態(tài)分析是最基本的線性動力學(xué)分析，用于分析結(jié)構(gòu)的自振頻率特性，包括固有頻率和振型參與系數(shù)。模態(tài)分析的好處在于可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或者以特定的頻率進(jìn)行振動，工程師從中可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的，有助于在其他動力分析中估算求解控制參數(shù)。

在模擬分析中對模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，固定夾具的4個安裝螺釘位置，得出整體3 000 Hz內(nèi)的固有頻率分布如表1所示，一階固有頻率為441 Hz。本次試驗的隨機(jī)振動條件：頻率范圍為50～2 000 Hz，功率譜密度為0.2 G2/Hz，總加速度均方根值為16.4 G，得到隨機(jī)振動條件下整體的加速度均方根值分布如圖2所示，最大加速度響應(yīng)為742 m/s2，分布在夾具上部分中間位置。

圖2 原夾具的隨機(jī)振動整體加速度均方根值分布圖

表1 模態(tài)分析下原夾具前6階固有頻率分布表

為了方便判斷，在振動模型上取3個樣本點(diǎn)，這3個點(diǎn)要具有代表性，后續(xù)試驗都以此3個點(diǎn)為試驗比對點(diǎn)。通過仿真，3個樣本點(diǎn)的加速度響應(yīng)隨頻率的分布如圖3所示，其中，1號點(diǎn)響應(yīng)最大，最大加速度為1 770 m/s2；2號點(diǎn)的最大加速度為128 m/s2；3號點(diǎn)的最大加速度為316 m/s2，如表2所示。

圖3 原夾具的加速度響應(yīng)曲線圖

表2 原夾具的樣本點(diǎn)最大加速度一覽表

從上述數(shù)據(jù)中可以明顯地看出，取樣點(diǎn)的加速度響應(yīng)均超出了許用值，從而初步假設(shè)是夾具的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致振動放大，使得產(chǎn)品無法通過振動試驗，需對不同結(jié)構(gòu)的夾具展開進(jìn)一步的分析。

3 振動夾具結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

通過對原夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)夾具放大比較嚴(yán)重的原因是夾具高度比較高，且中部鏤空比較大，而且為安裝產(chǎn)品各個結(jié)構(gòu)主體面均大面積掏空進(jìn)一步降低了夾具的整體強(qiáng)度，導(dǎo)致距離主體結(jié)構(gòu)部位較遠(yuǎn)的部位量級被放大得厲害，因此，需從降低夾具高度、減少鏤空和增加主體結(jié)構(gòu)實(shí)體比例方面進(jìn)行方案優(yōu)化。

3.1 設(shè)計方案一

由于原夾具考慮的是通過一次振動得到3個方向的結(jié)果，上述仿真結(jié)果給出了以下假設(shè)：該方案可能會造成振動放大現(xiàn)象，因此，退而求其次，考慮一次振動得到兩個方向的結(jié)果，向上振動可以同時得到Z方向、X或Y方向的振動結(jié)果。選定3個典型樣本點(diǎn)，進(jìn)行仿真驗證。

在相同的振動條件下得到隨機(jī)振動條件下整體的加速度均方根值分布如圖4所示，最大加速度響應(yīng)為453 m/s2。

圖4 優(yōu)化方案一的隨機(jī)振動整體加速度均方根值分布圖

樣本點(diǎn)加速度響應(yīng)隨頻率的分布如圖5所示，其中，1號點(diǎn)的最大加速度為516 m/s2，2號點(diǎn)的最大加速度為713 m/s2，3號點(diǎn)的最大加速度為248 m/s2，如表3所示。

圖5 優(yōu)化方案一的加速度響應(yīng)曲線圖

表3 優(yōu)化方案一的樣本點(diǎn)最大加速度一覽表

3.2 設(shè)計方案二

該方案在權(quán)衡初始方案和方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，振動一次只得到一個方向的結(jié)果，按相同的振動條件，進(jìn)行仿真驗證，得到整體加速度均方根值分布如圖6所示，其中，最大加速度為269 m/s2，分布在最上端。

圖6 優(yōu)化方案二的隨機(jī)振動整體加速度均方根值分布圖

3個樣本點(diǎn)的加速度響應(yīng)隨頻率的分布如圖7所示，其中，1號點(diǎn)的最大加速度為206 m/s2，2號點(diǎn)的最大加速度為209 m/s2，3號點(diǎn)的最大加速度為181 m/s2，如表4所示。

表4 優(yōu)化方案二的樣本點(diǎn)最大加速度一覽表

圖7 優(yōu)化方案二的加速度響應(yīng)曲線圖

綜上所述，分析初始試驗不合格的隨機(jī)振動夾具，結(jié)合仿真軟件的仿真結(jié)果可以看出，相對于初始方案，方案一和方案二都能夠較好地減小振動放大，且方案二明顯地優(yōu)于方案一。由此可以確定初始方案的夾具結(jié)構(gòu)確實(shí)具有振動放大效應(yīng)，因此最終確定按方案二的振動試驗夾具進(jìn)行加工試驗，然后進(jìn)行試驗摸底，以便后續(xù)產(chǎn)品順利通過隨機(jī)振動試驗。

4 振動試驗驗證

4.1 振動夾具驗證

在振動夾具設(shè)計完成后，需對振動試驗夾具進(jìn)行驗證，針對試驗夾具的固有頻率進(jìn)行基準(zhǔn)檢查，以驗證振動夾具是否滿足要求。將振動夾具剛性安裝在振動臺上，并按要求安裝傳感器，按要求輸入振動試驗條件：頻率范圍為50～2 000 Hz，功率譜密度為0.2 G2/Hz，總加速度均方根值為16.4 G，如圖8-9所示。

圖8 振動夾具安裝圖

從圖9的振動曲線中可以看出，設(shè)計的夾具沒有出現(xiàn)振動放大效應(yīng)，振動量級在可控范圍之內(nèi)；同時從傳感器采集到的加速度基本上與仿真結(jié)果較為接近，基本滿足隨機(jī)振動試驗的要求，該振動夾具可以用于后續(xù)試驗樣品的隨機(jī)振動試驗。

圖9 振動曲線圖

4.2 試驗樣品驗證

從失效樣品的同批次樣品中抽取1套LRM模塊化連接器進(jìn)行隨機(jī)振動試驗。由于隨機(jī)振動試驗需監(jiān)測接觸件的電不連續(xù)性能，試驗前需串聯(lián)所有的接觸件，并保護(hù)好連接器接觸件尾端，然后將試驗樣品安裝在傳真設(shè)計好的振動試驗夾具中，并通過剛性安裝在振動臺面上，在振動臺面及振動夾具上安裝好傳感器，如圖10所示。

圖10 振動樣品安裝圖

試驗樣品在頻率范圍為50～2 000 Hz，功率譜密度為0.2 G2/Hz，總加速度均方根值為16.4 G的條件下，3個相互垂直的每一方向上各振動1 h，共3 h的隨機(jī)振動，試驗時監(jiān)測所有接觸件的電不連續(xù)性。試驗過程中沒有出現(xiàn)大于1μs的電不連續(xù)現(xiàn)象，試驗后檢查連接器，外觀沒有出現(xiàn)機(jī)械損傷現(xiàn)象，試驗結(jié)果合格，試驗樣品順利地通過了該項試驗。

圖11 振動樣品振動曲線

5 結(jié)束語

本文以LRM模塊化連接器振動夾具為研究對象，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿真和改進(jìn)分析。

通過對現(xiàn)有夾具的結(jié)果仿真驗證，給出了夾具具有振動放大效應(yīng)的假設(shè)，需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)驗證假設(shè)的同時對改進(jìn)的方案進(jìn)行仿真評估，使得產(chǎn)品通過振動試驗。于是提出了兩種結(jié)構(gòu)方案，通過對兩種方案的結(jié)構(gòu)仿真，驗證出改進(jìn)后的夾具都呈現(xiàn)出較好的減小振動放大的效果，從而驗證了初始夾具結(jié)構(gòu)具有振動放大效應(yīng)的假設(shè)。最后，選定了效果最好的方案二進(jìn)行加工試制，最終產(chǎn)品順利地通過振動試驗，完美地解決了問題。