某機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

邸蘭萍

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

0 引 言

機(jī)載電子設(shè)備一般由精密的電子部件和較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成，主要安裝在設(shè)備倉和發(fā)動機(jī)上。機(jī)載惡劣環(huán)境條件極容易對設(shè)備造成損害。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電子設(shè)備大部分故障是由于電子元器件受到惡劣的振動和沖擊造成的。電子設(shè)備在振動過程中失效的主要原因［1］：一是電子設(shè)備在某激勵下由于共振導(dǎo)致模塊印制板上產(chǎn)生較大的振動加速度或沖擊加速度超過了電子元器件所能承受的加速度量值；二是電子設(shè)備在振動過程中由于加速度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過了結(jié)構(gòu)材料所能承受的應(yīng)力值；三是由于頻繁、長期的動載荷振動導(dǎo)致電子設(shè)備結(jié)構(gòu)或器件管腳損壞。因此必須對電子設(shè)備進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

本文對某典型電子設(shè)備通過有限元仿真討論電子設(shè)備整機(jī)的剛度和強(qiáng)度，以得到相關(guān)重要性能參數(shù)。然后，通過分析討論設(shè)備所能承受載荷并對其進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1 振動環(huán)境

假設(shè)該電子設(shè)備安裝在螺漿式飛機(jī)上。根據(jù)文獻(xiàn)［2］，其振動圖譜如圖1 所示，圖中L1根據(jù)安裝位置的不同取值不同。

圖1 振動圖譜

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

通常由于機(jī)載電子設(shè)備的振動圖譜都是寬帶隨機(jī)振動，所以要想使得設(shè)備的頻率避開共振是很困難的。在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下，一方面可通過提高系統(tǒng)本身的剛性。首先考慮提高系統(tǒng)各元件剛度。其次，由于印制板上器件非常緊湊，在振動過程中可能會發(fā)生耦合現(xiàn)象，大幅降低系統(tǒng)的抗振性能，因此對于容易松動的器件采用點(diǎn)膠或其他加固方式固定在印制板上。另一方面則可通過降低激勵傳遞率，衰減激勵，以降低設(shè)備振動過程中的變形。

本文研究的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)外形如圖2 所示，箱體是電路印制板承力部件，通過4 個彎角件安裝于飛機(jī)上。為了提高設(shè)備的剛度，箱體選用高強(qiáng)度的鋁合金材料，彎角件采用不銹鋼材料，應(yīng)力集中位置加工圓角。箱體內(nèi)印制板采用加強(qiáng)筋等加固方式。

圖2 電子設(shè)備三維模型圖

圖3 電子設(shè)備有限元模型

3 設(shè)備隨機(jī)振動分析

3.1 建立有限元模型

按照通用的精簡原則，在CAD 建模軟件中對零部件進(jìn)行簡化并裝配后，以通用的三維模型數(shù)據(jù)交換格式導(dǎo)入到Patran 軟件中，在Patran 中對導(dǎo)入的CAD 模型使用十節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過控制網(wǎng)格劃分器的相關(guān)參數(shù)來保證模型內(nèi)外網(wǎng)格密度的均勻性。最終得到有限元模型如圖3 所示，共351 560 個節(jié)點(diǎn)，共187 984個四面體單元。

3.2 邊界條件

根據(jù)設(shè)備實(shí)際安裝方式，對箱體結(jié)構(gòu)底部4個安裝孔施加約束和激勵。這里考慮對設(shè)備剛性安裝方式仿真。

設(shè)備材料屬性［3］如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)材料屬性

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)固有頻率和振型。通過模態(tài)分析可以初步對整個結(jié)構(gòu)的剛性的好壞進(jìn)行評估。通 過 Patran 中SOL103 對有限元進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)前10 階模態(tài)如表2 所示。

從模態(tài)仿真結(jié)果可以得知整個設(shè)備第1～9 階模態(tài)振型主要是模塊印制板的彎曲振動；第10 階固有頻率為969.28Hz，振型為機(jī)箱和模塊整體的彎曲振動。從模態(tài)頻率可以看出整機(jī)設(shè)備的剛性較高，整機(jī)結(jié)構(gòu)具有很好的抗變形能力。

表2 設(shè)備前10 階模態(tài)頻率

3.4 隨機(jī)振動響應(yīng)分析

在計(jì)算得到系統(tǒng)的模態(tài)后，對系統(tǒng)施加載荷，通過模態(tài)法進(jìn)行分析，得到指定頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)。并對模型施加圖1 所示隨機(jī)振動激勵譜進(jìn)行隨機(jī)振動分析，得到系統(tǒng)在垂直方向（垂直于印制板方向）設(shè)備的加速度分布圖和設(shè)備上某幾點(diǎn)加速度響應(yīng)曲線如圖4 所示。圖中點(diǎn)429 947、437 758、452 048、437 779 分別是機(jī)箱安裝孔、印制板中心、印制板前端、機(jī)箱頂部，加速度響應(yīng)均方根值（RMS）分別是13.69g、37.91g、80.34g、34.98g。

圖4 設(shè)備上加速度功率譜密度響應(yīng)

從圖4 可以看出，機(jī)箱和印制板在各沖擊點(diǎn)位置都有能量放大現(xiàn)象，并且印制板上加速度量值都比較大，所以必須增加減振措施。

3.5 隨機(jī)振動動應(yīng)力分析和驗(yàn)證

通常隨機(jī)振動應(yīng)力服從高斯分布。因此機(jī)箱的強(qiáng)度應(yīng)該滿足3σmax＜σ0.2（屈服極限），且3σmax＜σ-1（疲勞極限）。該設(shè)備垂直方向隨機(jī)振動的1σVonMises 應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖5 設(shè)備1σVonMises 應(yīng)力云圖

圖中應(yīng)力最大點(diǎn)位于安裝孔附近位置。該點(diǎn)的3σmaxVonMises 應(yīng)力值為2.7 MPa，箱體采用的材料2A12的σ0.2=290MPa，σ-1=137 MPa?？梢娫摍C(jī)箱結(jié)構(gòu)能夠滿足動強(qiáng)度要求。

4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

通過上述隨機(jī)振動響應(yīng)分析，整機(jī)需增加減振措施。為確定減振需求，首先應(yīng)該要求滿足強(qiáng)度要求，即減振后設(shè)備的最大應(yīng)力應(yīng)該小于屈服極限σ0.2和疲勞極限σ-1。其次，應(yīng)該使箱體內(nèi)部加速度響應(yīng)不超出設(shè)備能夠承受的范圍。由此確定隨機(jī)振動傳遞率η。

式中：η 為振動傳遞率；D 為阻尼比；γ 為頻率比。由式（1）可得到如圖6 所示振動傳遞率曲線?？梢钥闯?，當(dāng)頻率比大于η 時，可達(dá)到減振目的。

圖6 振動傳遞率

為滿足設(shè)計(jì)，假定設(shè)備印制板最大響應(yīng)不超過9g，那么減振系統(tǒng)傳遞率應(yīng)該滿足η=0.65。由圖6 可知為滿足η≤0.65 的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使γ 為頻率比＞2，由圖1 可知激勵最小頻率為15 Hz，那么減振器的固有頻率應(yīng)該小于30 Hz。

根據(jù)以上對設(shè)備和減振系統(tǒng)的振動應(yīng)力、振動加速度、傳遞率和固有頻率分析，可知該設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足要求，但印制板上的加速度均方根值較大，為了使印制板上加速度均方根值降到合理范圍，減振器的固有頻率應(yīng)當(dāng)盡量小于30 Hz，阻尼比在許用范圍內(nèi)盡可能大，同時具備變阻尼性能。還要考慮減振器的承重位置、重量和環(huán)境適應(yīng)性等要求。

5 結(jié) 論

本文首先通過有限元對某電子設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動響應(yīng)分析，分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和內(nèi)部電路模塊是否能滿足振動要求，為適應(yīng)環(huán)境要求需對整機(jī)增加減振措施。其次，通過討論設(shè)備所能承受環(huán)境載荷來進(jìn)行減振設(shè)計(jì)并指導(dǎo)減振系統(tǒng)的選取，以提高設(shè)備適應(yīng)環(huán)境的能力。本文提供了一種采用有限元方法分析機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性能力，再通過減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來指導(dǎo)電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的思路和方法。

［1］ 周旭.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

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