某機(jī)載電子吊艙抗振動(dòng)設(shè)計(jì)

龐利娥 劉繼鵬 呂 洋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

某機(jī)載電子吊艙在實(shí)際工作過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)、噴氣噪聲、吊艙外部氣流擾動(dòng)、飛機(jī)的飛行姿態(tài)以及起飛、著陸、滑行等因素產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊[1]。這些振動(dòng)和沖擊的機(jī)械環(huán)境對(duì)電子設(shè)備造成的危害主要有以下兩種:其一，結(jié)構(gòu)和工藝性破壞，如結(jié)構(gòu)件的疲勞、斷裂、磨損，連接件的松動(dòng)、分離等;其二，功能和性能性破壞，包括工作失靈、性能降低及超出容差范圍等[2]。

如果電子設(shè)備自身的抗振動(dòng)、抗沖擊能力差，在使用過(guò)程中就會(huì)因上述振動(dòng)、沖擊作用而產(chǎn)生故障，從而影響整個(gè)飛機(jī)的作戰(zhàn)性能。為了保障設(shè)備的可靠性，使其適應(yīng)飛機(jī)的各種振動(dòng)、沖擊環(huán)境，必須對(duì)其進(jìn)行抗振動(dòng)設(shè)計(jì)[1]。

2 設(shè)計(jì)與分析

某機(jī)載電子吊艙由發(fā)射及控制系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、天線、艙體、前后向天線支架和天線罩等組成。拆掉天線罩和艙體頂板，某機(jī)載電子吊艙結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 拆掉天線罩和艙體頂板，某機(jī)載電子吊艙結(jié)構(gòu)示意圖

某機(jī)載電子吊艙總重量在37kg，外掛在飛機(jī)的右機(jī)翼上。該吊艙隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍10 Hz～500 Hz，總均方根加速度39.8 m/s2;沖擊波形為半正弦波，持續(xù)時(shí)間11ms，峰值加速度 150 m/s2。為了確保電子設(shè)備在這樣的環(huán)境條件下正常工作，進(jìn)行抗振動(dòng)、抗沖擊設(shè)計(jì)是非常必要的。

常用的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)主要采取如下兩個(gè)措施[3]:

a.加固設(shè)計(jì)。對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固，提高設(shè)備的固有頻率，保證電子設(shè)備的正常工作。

b.采用隔振緩沖系統(tǒng)。對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行隔振緩沖設(shè)計(jì)，使外部激勵(lì)通過(guò)隔振緩沖系統(tǒng)減弱后，傳遞給設(shè)備的實(shí)際作用力小于設(shè)備的許用值。

對(duì)于與天線指向精度有關(guān)的部分，如天線等不能采用隔振器或減振器進(jìn)行隔振緩沖。在進(jìn)行某機(jī)載電子吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，因空間限制，前向天線支架直接固定在發(fā)射及控制系統(tǒng)的冷板上，環(huán)控系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口與艙體間采用剛性連接。為此，發(fā)射及控制系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)均不能采用隔振器或減振器進(jìn)行隔振緩沖。為了使某機(jī)載電子吊艙適應(yīng)飛機(jī)的各種振動(dòng)、沖擊環(huán)境，必須提高其自身的抗振動(dòng)耐沖擊能力。

根據(jù)吊艙的形狀、重量及吊艙的工作環(huán)境，從艙體的結(jié)構(gòu)剛性化設(shè)計(jì)和對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)兩個(gè)方面考慮。

2.1 艙體的結(jié)構(gòu)剛性化設(shè)計(jì)

艙體的剛性化設(shè)計(jì)就是為了提高艙體的結(jié)構(gòu)剛度。艙體由艙體骨架及側(cè)板等組成。艙體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 艙體結(jié)構(gòu)示意圖

艙體骨架是承受主要載荷的結(jié)構(gòu)件，各分系統(tǒng)通過(guò)法蘭、支架與艙體骨架相連，所以艙體骨架結(jié)構(gòu)剛度的好壞直接決定電子設(shè)備的抗振性能，為此需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析。求解機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)最實(shí)用的方法為有限元分析法(FEM)。

2.1.1 艙體骨架的三維模型

艙體骨架的三維模型(實(shí)體造型Solidedge)見(jiàn)圖3。

圖3 艙體骨架的三維模型

2.1.2 有限元模型單元的選擇

有限元模型單元選擇殼單元。主要原因如下:

a.由于節(jié)點(diǎn)的六個(gè)自由度被約束，且殼體在厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度等尺寸的情況下，實(shí)體單元往往只能化出一層，這樣會(huì)造成用實(shí)體單元?jiǎng)澐值慕Y(jié)構(gòu)過(guò)剛，做出的模態(tài)要比實(shí)際高很多。

b.殼單元的厚度可優(yōu)化。殼單元的厚度更改后有限元模型不用重新劃分，這對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

c.殼單元網(wǎng)格質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)體單元質(zhì)量。從圖3中可以看到，殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格無(wú)論是寬高比、翹曲、歪斜、雅克比比值、雅克比零點(diǎn)還是2D最大/最小角比值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)體單元。

d.殼單元的網(wǎng)格劃分是可控的，利用有限元分析軟件的模型校正工具，使得各個(gè)殼單元之間的連接處硬線相互關(guān)聯(lián)，網(wǎng)格密度可調(diào)，這在分析高階模態(tài)時(shí)是非常重要的。

2.1.3 螺釘連接模擬

整個(gè)艙體骨架由螺釘連接，螺釘單元在有限元模型中選擇CROD單元。

2.1.4 分析結(jié)果

10 Hz～500 Hz頻段的幾個(gè)典型艙體骨架固有模態(tài)低階振型見(jiàn)圖4。

圖4 艙體骨架固有模態(tài)低階振型

對(duì)該艙體骨架有限元模型進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。在150Hz頻點(diǎn)時(shí)，承受載荷的艙體骨架支撐梁兩端應(yīng)力最大。艙體骨架最大應(yīng)力出現(xiàn)位置見(jiàn)圖5。

圖5 艙體骨架最大應(yīng)力出現(xiàn)位置

綜上所述，利用動(dòng)力學(xué)分析手段對(duì)該艙體骨架進(jìn)行了力學(xué)分析，找到了該艙體骨架的薄弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)在支撐梁與端框間鉚接斜向加強(qiáng)筋，保證某機(jī)載吊艙順利通過(guò)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)。

2.2 分系統(tǒng)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)

對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的目的是為了提高分系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)的抗振動(dòng)、抗沖擊能力，確保各分系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)艙體傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)、沖擊環(huán)境中正常工作。

如果分系統(tǒng)自身的抗振動(dòng)、耐沖擊能力較差，振動(dòng)和沖擊可能使其出現(xiàn)五種故障狀態(tài):結(jié)構(gòu)件損壞、緊固件斷裂、脫落或松動(dòng)、元器件損壞、連接器脫落和線纜損壞。通過(guò)對(duì)影響分系統(tǒng)抗振動(dòng)耐沖擊能力的因素進(jìn)行全面系統(tǒng)的觀察和分析，找出其因果關(guān)系，因果圖見(jiàn)圖6。

圖6 因果圖

設(shè)計(jì)時(shí)，采用抗振動(dòng)技術(shù)避免圖6所示故障的出現(xiàn)。

2.2.1 為避免結(jié)構(gòu)件損壞采用的抗振動(dòng)技術(shù)

A.發(fā)射及控制系統(tǒng)與環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。冷板既是環(huán)控系統(tǒng)的換熱器，又是發(fā)射及控制系統(tǒng)各功能模塊的安裝板，故冷板設(shè)計(jì)必須綜合考慮剛度、強(qiáng)度要求和熱設(shè)計(jì)要求。為滿足剛度、強(qiáng)度要求，導(dǎo)熱用的散熱齒直接設(shè)計(jì)為冷板加強(qiáng)筋。

B.通過(guò)合理布局和采取小型化技術(shù)，提高設(shè)備抗振動(dòng)和耐沖擊能力。舉例如下:

圖7 控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖。從圖7可看出:功分器與故障檢測(cè)電路間、開(kāi)關(guān)放大組件與點(diǎn)頻源和隔離器間的電氣接口是通過(guò)插頭和插座直接相連，減少中間連接環(huán)節(jié)。

C.設(shè)計(jì)過(guò)渡圓角減小承力件根部的應(yīng)力集中。懸臂梁式結(jié)構(gòu)剛性較差，應(yīng)避免使用[2]。若必須采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取相應(yīng)措施，璧如設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。

圖8為前向天線安裝結(jié)構(gòu)示意圖。從圖8可看出:天線支架固定端設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋根部設(shè)計(jì)過(guò)渡圓角。

圖8 前向天線安裝結(jié)構(gòu)示意圖

D.嚴(yán)格按工藝流程進(jìn)行加工與裝配。。

2.2.2 為避免緊固件斷裂、脫落或松動(dòng)采用的抗振動(dòng)技術(shù)

A.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使緊固件布局合理，緊固件的強(qiáng)度等級(jí)、數(shù)量、規(guī)格滿足設(shè)計(jì)要求，以免緊固件在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下斷裂。

B.在鋁合金等低強(qiáng)度工程材料上嵌入高強(qiáng)度、耐磨損的鋼絲螺套，防止由于振動(dòng)和沖擊引起螺釘松動(dòng)及提高螺釘連接時(shí)的連接強(qiáng)度。

C.若零件上自帶螺紋，連接時(shí)盡量選用頭部帶保險(xiǎn)孔的圓柱頭螺釘，以便打保險(xiǎn)絲進(jìn)行防松。

渦輪冷卻器、電動(dòng)活門(mén)和管路組件2間的連接螺釘選用頭部帶保險(xiǎn)孔的圓柱頭螺釘(HB1-203-95)，螺釘擰緊后打保險(xiǎn)進(jìn)行了防松。渦輪冷卻器、電動(dòng)活門(mén)和管路組件2間的連接見(jiàn)圖9。

圖9 渦輪冷卻器、電動(dòng)活門(mén)和管路組件2間的連接

D.零件上自帶螺紋，且必須使用沉頭螺釘進(jìn)行固定時(shí)，安裝后不拆卸的可帶環(huán)氧膠或?qū)щ娔z裝配，需要拆卸的安裝時(shí)在螺釘上涂少量的螺紋鎖固膠。

E.零件上未帶螺紋(璧如薄壁)，且必須用螺母連接時(shí)，不常拆卸或安裝的選托板自鎖螺母;需經(jīng)常拆卸或安裝的，用六角自鎖螺母。

2.2.3 為避免元器件損壞采用的抗振動(dòng)技術(shù)

A.按環(huán)境條件要求，選用耐振動(dòng)和抗沖擊的電子元器件。

B.在安裝元器件之前，最好知道它的耐振動(dòng)和抗沖擊性能，安裝時(shí)應(yīng)選擇最佳的方向，按有關(guān)規(guī)范規(guī)定的安裝方法進(jìn)行元器件的固定和安裝。

C.把線纜和導(dǎo)管使用支架和纜帶固定在盒體或底板上，以免線纜和導(dǎo)管在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下產(chǎn)生的作用力使元器件焊點(diǎn)失效。

D.減短元器件的引線或管腳進(jìn)行焊接，以提高其剛度。

E.印制板電路盡量采用表面貼裝元器件。不能表面貼裝的元器件盡可能臥裝，質(zhì)量小于5g的元器件可用導(dǎo)熱硅膠固定，質(zhì)量大于5g或引線直徑小于0.3mm的元器件，不允許僅靠引線支撐，必須用輔助的固定夾固定[4]。

F.采用新型高分子輕質(zhì)材料(璧如硅橡膠)封裝薄弱元器件[2]，對(duì)在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下易損壞元器件進(jìn)行保護(hù)。

G.印制板設(shè)計(jì)要有一定的剛度，避免印制板的柔性引起焊點(diǎn)失效。

2.2.4 為防止連接器脫落采用的抗振動(dòng)技術(shù)

A.選用帶保險(xiǎn)孔的電纜插頭，以便打保險(xiǎn)絲進(jìn)行防松。

B.選用帶鎖緊裝置連接器，防止在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下自行脫出。

2.2.5 為防止線纜損壞采用的抗振動(dòng)技術(shù)A.將導(dǎo)線編扎在一起，并用線夾做分段固定。B.在較長(zhǎng)的電纜中間設(shè)置電纜固定夾。

C.使用防波套，防止在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下線纜的磨損。

通過(guò)采取以上抗振動(dòng)技術(shù)，保證某機(jī)載電子吊艙在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下能夠正常工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

某機(jī)載電子吊艙在按照上述設(shè)計(jì)思路完成設(shè)計(jì)、加工后，順利通過(guò)各項(xiàng)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)。上機(jī)試飛也獲得成功。由此可見(jiàn)，在某機(jī)載電子吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用上述抗振動(dòng)設(shè)計(jì)方法可以使某機(jī)載電子吊艙具有很好的抗振動(dòng)、抗沖擊能力，確保某機(jī)載電子吊艙在機(jī)載機(jī)械環(huán)境條件下正常工作。本文介紹的設(shè)計(jì)方法和采取的措施可用于其它機(jī)載產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

[1]李玉峰，秦志剛.某機(jī)載電子設(shè)備的抗振設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2007，(3):3 ～6.

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