某星載電子設(shè)備的力學(xué)仿真分析*

吳孟武，黃春江

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某星載電子設(shè)備的力學(xué)仿真分析*

吳孟武，黃春江

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

星載電子設(shè)備面臨著各種嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，具有極高的可靠性要求。文中為了節(jié)省環(huán)試成本，縮短研發(fā)周期，采用ANSYS建立了某星載電子設(shè)備的力學(xué)仿真模型；為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了該電子設(shè)備的模態(tài)仿真及實(shí)測，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)非常接近；基于建立的仿真模型，分析了該電子設(shè)備在加速度過載、沖擊、正弦振動及隨機(jī)振動等各種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和受力情況，得到了相應(yīng)的位移和應(yīng)力云圖。結(jié)果表明該電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足星載環(huán)境要求。文中針對該電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)仿真及測試對于理解其力學(xué)特性具有重要的意義。

星載電子設(shè)備;力學(xué)仿真;模態(tài)測試;隨機(jī)振動

引 言

星載電子設(shè)備在運(yùn)輸、發(fā)射、飛行等過程中要經(jīng)受各種嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境考驗(yàn)，如加速度、噪聲、沖擊、振動等。力學(xué)環(huán)境可導(dǎo)致電子設(shè)備結(jié)構(gòu)變形或損壞，具體表現(xiàn)為：電子元器件受損；儀器設(shè)備因電子線路斷路、接插件松動和支架斷裂而發(fā)生故障；結(jié)構(gòu)遭到破壞或斷裂等。這些故障可能影響到任務(wù)的完成，甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗[1-5]。鑒于星載電子設(shè)備具有極高的可靠性要求，因而在其產(chǎn)品研制過程中，就要求綜合其壽命周期內(nèi)的各種力學(xué)環(huán)境，在地面進(jìn)行相應(yīng)的鑒定級環(huán)境試驗(yàn)。近年來，隨著星載型號研制任務(wù)的不斷推出，降低研制成本、縮短研發(fā)周期的要求也越來越迫切，傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)—試驗(yàn)驗(yàn)證—設(shè)計(jì)—試驗(yàn)驗(yàn)證”研制思路已不能滿足上述要求。

本文以星載雷達(dá)中某重要電子設(shè)備為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件ANSYS建立了對應(yīng)的力學(xué)仿真模型；應(yīng)用該仿真模型，對該電子設(shè)備的模態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析；基于LMS振動測試系統(tǒng)對其進(jìn)行了模態(tài)實(shí)測；通過仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，較好地驗(yàn)證了力學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確性；基于建立的仿真模型，結(jié)合該電子設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，對其在加速度過載、沖擊、正弦振動及隨機(jī)振動等各種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和受力情況進(jìn)行了分析，得到了對應(yīng)的安全裕度數(shù)據(jù)，并以此判斷該電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足星載環(huán)境要求。

1 有限元模型的建立

1.1模型簡化及網(wǎng)格劃分

由于比較關(guān)注結(jié)構(gòu)的整體動力學(xué)特性，因此此次力學(xué)仿真分析以該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)星階段的模型為研究對象，如圖1所示。該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)星模型整體上由機(jī)殼、蓋板、側(cè)板3部分組成。機(jī)殼與蓋板、機(jī)殼與側(cè)板均采用沉頭螺釘連接。在機(jī)殼的底面，設(shè)計(jì)有6個(gè)安裝支耳，這些支耳采用螺釘連接的方式將整個(gè)設(shè)備直接固定在衛(wèi)星安裝平臺上。

圖1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)模型

文中綜合考慮仿真計(jì)算效率及模型準(zhǔn)確度等因素，對電子設(shè)備結(jié)構(gòu)星模型進(jìn)行了一定程度上的簡化處理：去掉尺寸較小的孔、凸臺、圓角；去掉不必要的倒角；將螺釘連接簡化為有限元模型中結(jié)點(diǎn)之間的自由度耦合等。在模型簡化的基礎(chǔ)上，以四面體網(wǎng)格為基礎(chǔ)，采用網(wǎng)格局部加密技術(shù)得到網(wǎng)格模型，如圖2所示，其中網(wǎng)格總數(shù)量為111 303個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為213 950個(gè)。該電子設(shè)備機(jī)殼、蓋板及側(cè)板材料均選用鋁合金5A05，其力學(xué)性能見表1。

圖2 模型簡化及網(wǎng)格劃分

表1 鋁合金5A05力學(xué)性能

1.2邊界條件的設(shè)置

依據(jù)星載環(huán)境條件的要求，該電子設(shè)備需承受加速度過載、沖擊、正弦振動及隨機(jī)振動等惡劣工況而不發(fā)生破壞和失效。表2～表5列出了各種工況下對應(yīng)的試驗(yàn)條件，本次力學(xué)仿真將其作為載荷輸入從而計(jì)算得到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和受力情況。

表2 加速度試驗(yàn)條件

表3 沖擊試驗(yàn)條件

表4 正弦振動試驗(yàn)條件

表5 隨機(jī)振動試驗(yàn)條件

2 模態(tài)仿真及實(shí)測

按照仿真計(jì)算規(guī)范流程，仿真模型建立后，需進(jìn)行驗(yàn)?zāi)９ぷ?，以保證后續(xù)仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。在驗(yàn)?zāi)＿^程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大差異時(shí)，需對仿真模型進(jìn)行修正(修正材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量及質(zhì)量等)，如此反復(fù)直至仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果差距在允許的范圍內(nèi)。

為了驗(yàn)證建立的力學(xué)仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，本文對該電子設(shè)備進(jìn)行了模態(tài)仿真及實(shí)測。模態(tài)分析是動態(tài)響應(yīng)分析的基礎(chǔ)，其最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1模態(tài)仿真

模態(tài)分析待求的參數(shù)是結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，在本次仿真計(jì)算中，采用Lanczos方法計(jì)算該電子設(shè)備自由態(tài)及約束態(tài)下各階固有頻率，并得到對應(yīng)的模態(tài)振型。

根據(jù)相關(guān)振動理論，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動響應(yīng)的影響較大，高階模態(tài)可以忽略不計(jì)。表6列出了通過仿真計(jì)算得到的該電子設(shè)備自由態(tài)及約束狀態(tài)下(6個(gè)支耳固定支撐)前6階的固有頻率及模態(tài)振型最大變形位置。對于自由態(tài)而言，由于不施加任何約束，結(jié)構(gòu)在3個(gè)方向平動及轉(zhuǎn)動發(fā)生的是剛體位移，此時(shí)前6階模態(tài)頻率基本為0。因此對于自由態(tài)，處理方式為將第7階模態(tài)當(dāng)做第1階模態(tài)。圖3為約束狀態(tài)下該電子設(shè)備前6階的模態(tài)振型。

表6 自由態(tài)和約束態(tài)下前6階模態(tài)頻率及振型最大變形位置

圖3 約束狀態(tài)下前6階模態(tài)振型

從表6及圖3可以看出：自由態(tài)下前6階模態(tài)振型的最大變形均發(fā)生在蓋板上，而約束態(tài)下除第3、第6階模態(tài)振型最大變形發(fā)生在機(jī)殼底面上外，其余4階也均發(fā)生在蓋板上。此時(shí)2種狀態(tài)下的模態(tài)頻率相近，且模態(tài)振型位置和幅度也相近。其原因在于：對于該電子設(shè)備主體結(jié)構(gòu)而言，蓋板是相對薄弱的部位，所以前幾階模態(tài)振型通常發(fā)生在蓋板上；由于與機(jī)殼相比，蓋板配重較輕，而約束狀態(tài)下是對機(jī)殼底面6個(gè)安裝支耳進(jìn)行固定支撐，此時(shí)對于蓋板而言，自由態(tài)與約束態(tài)時(shí)的工況變化并不大，所以2種狀態(tài)下蓋板的模態(tài)頻率及振型相近。從表6還可以看出，該電子設(shè)備最低的固有頻率大于500 Hz，遠(yuǎn)大于正弦振動條件下掃頻最高頻率(100 Hz)，也即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地避開了外部工作激勵頻率，結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

2.2模態(tài)測試

模態(tài)試驗(yàn)選用比利時(shí)的LMS Test Lab Rev 8B進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模態(tài)分析，加速度傳感器與力錘分別采用美國PCB公司的PCB 333B32及PCB 086C03。圖4為該次模態(tài)測試的原理示意圖。其中電子設(shè)備放置于極柔軟的海綿上，幾乎等同于自由工況。由前期仿真分析可知，自由態(tài)下前6階模態(tài)振型的最大變形均發(fā)生在蓋板上。為了有效捕捉激勵響應(yīng)，試驗(yàn)時(shí)加速度傳感器均布置在蓋板上，且采集方向與蓋板垂直。另外，力錘錘擊位置選取蓋板右下角，方向也與蓋板垂直。

表7列出了由試驗(yàn)實(shí)測得到的該電子設(shè)備自由態(tài)下前6階的固有頻率。從與表6中自由態(tài)下模態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行的對比可知：仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，至第6階時(shí)兩者數(shù)值誤差仍在7.1%以內(nèi)。模態(tài)仿真與實(shí)測以及兩者結(jié)果的對比，充分驗(yàn)證了本文建立的力學(xué)仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖4 模態(tài)測試原理示意圖

表7 實(shí)測得到的自由態(tài)下前6階模態(tài)頻率

3 力學(xué)仿真及結(jié)果分析

3.1加速度過載仿真及結(jié)果分析

此次加速度過載仿真采用靜力分析方法進(jìn)行，輸入條件見表2。圖5及表8為仿真計(jì)算得到的該電子設(shè)備在3個(gè)方向加速度過載下的結(jié)構(gòu)受力及變形情況。

圖5 加速度過載下應(yīng)力云圖及變形云圖

表8 加速度過載下最大應(yīng)力及變形

表8中安全裕度的計(jì)算公式為

式中：MS為安全裕度；[σ]為最大許用應(yīng)力，在此即為鋁合金5A05的屈服強(qiáng)度值125 MPa；σmax為計(jì)算得到的最大應(yīng)力；f為安全系數(shù)，金屬材料的安全系數(shù)通常取為1.5。從圖5及表8可以看出：在加速度過載載荷下，該電子設(shè)備的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在機(jī)殼安裝支耳處，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足加速度過載環(huán)境要求。

3.2沖擊仿真及結(jié)果分析

按照表3中的沖擊環(huán)境條件，對該電子設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)仿真，在有限元分析中，沖擊載荷施加在基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)上。半正弦波的加速度峰值為50g，持續(xù)時(shí)間為11 ms，在5.5 ms時(shí)達(dá)到最大值?？紤]到結(jié)構(gòu)阻尼，仿真中將阻尼系數(shù)設(shè)為0.02。瞬態(tài)分析過程采用完全法，仿真計(jì)算時(shí)間持續(xù)至20 ms，以捕捉到整個(gè)沖擊過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

圖6為仿真計(jì)算得到的整個(gè)沖擊過程中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線。從圖6可以看出：由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在，整個(gè)沖擊過程中3個(gè)方向的最大應(yīng)力并沒有出現(xiàn)在5.5 ms處，而是滯后了一段時(shí)間，大約出現(xiàn)在6 ms處；沖擊載荷加載至11 ms時(shí)結(jié)束，而結(jié)構(gòu)響應(yīng)仍然持續(xù)了一段時(shí)間。最大應(yīng)力滯后和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的持續(xù)與結(jié)構(gòu)的特性是相吻合的。

圖6 沖擊載荷下最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線

圖7為仿真計(jì)算得到的在3個(gè)方向沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及變形云圖，表9則對結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、最大變形及發(fā)生的位置進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從圖7和表9可以看出：與加速度過載載荷相比，沖擊載荷更為惡劣；該電子設(shè)備在Y向沖擊載荷作用下，最大應(yīng)力達(dá)到了20.29 MPa，且仍出現(xiàn)在機(jī)殼安裝支耳處。盡管如此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然具有正的安全裕度(最小為3.1)，也即該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足沖擊環(huán)境要求。

圖7 沖擊載荷下最大應(yīng)力云圖及變形云圖

表9 沖擊載荷下最大應(yīng)力及變形

3.3正弦振動仿真及結(jié)果分析

基于前期模態(tài)仿真結(jié)果，正弦振動仿真采用諧響應(yīng)分析方法進(jìn)行，輸入條件見表4。由于正弦振動載荷分為加速度及位移2類，因此在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，應(yīng)依據(jù)不同的頻率范圍，分段進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

從仿真計(jì)算可知：該電子設(shè)備在頻率點(diǎn)80 Hz時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)最為劇烈，此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形最大，承受的應(yīng)力也最大。圖8及表10為該電子設(shè)備在3個(gè)方向正弦振動載荷下于80 Hz頻率點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)受力及變形情況。從圖8及表10可以看出：與加速度過載及沖擊載荷相比，正弦振動對該電子設(shè)備的影響最小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值及變形值均較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較高的安全裕度。

圖8 正弦振動載荷下應(yīng)力云圖及變形云圖(80 Hz)

表10 正弦振動載荷下最大應(yīng)力及變形

3.4隨機(jī)振動仿真及結(jié)果分析

以模態(tài)仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，隨機(jī)振動仿真采用PSD方法進(jìn)行。將表5所示試驗(yàn)條件作為載荷輸入，圖9為對應(yīng)的功率譜密度曲線。分別提取3個(gè)載荷方向的3σ應(yīng)力及3σ變形，如圖10及表11所示。

圖9 隨機(jī)振動功率譜密度曲線

從圖10和表11可以看出，與加速度過載載荷、沖擊載荷及正弦振動載荷相比，隨機(jī)振動載荷的工況最為惡劣。在Y向隨機(jī)振動載荷作用下，最大3σ應(yīng)力達(dá)到了73.16 MPa，最大3σ變形則達(dá)到了0.39 mm。最大3σ應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)殼底面安裝支耳處，而最大3σ變形則出現(xiàn)在蓋板中心處。最大3σ應(yīng)力和最大3σ變形出現(xiàn)的位置與該電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式是相符的：該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)在垂直方向(Y向)的剛強(qiáng)度較薄弱，仿真計(jì)算時(shí)，在Y向載荷作用下，結(jié)構(gòu)的受力及變形明顯大于另外2個(gè)載荷方向；機(jī)殼安裝支耳處作為與衛(wèi)星平臺的安裝接口，在Y向載荷作用下，必然承受最大的拉應(yīng)力；此時(shí)蓋板作為剛度最薄弱的環(huán)節(jié)，在蓋板中心發(fā)生最大的垂直變形。計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)安全裕度最小值為0.1(見表11)，仍然大于0，也即該電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足隨機(jī)振動環(huán)境要求。

圖10 隨機(jī)振動載荷下3σ應(yīng)力云圖及3σ變形云圖

表11 隨機(jī)振動載荷下最大3σ應(yīng)力及3σ變形

4 結(jié)束語

本文針對星載電子設(shè)備地面環(huán)境試驗(yàn)周期長、成本高、開展困難等現(xiàn)狀，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段即采用數(shù)值仿真技術(shù)，對某電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。按照標(biāo)準(zhǔn)的仿真分析流程，建立力學(xué)仿真模型(涉及到模型簡化、網(wǎng)格劃分及設(shè)置邊界條件等)，進(jìn)行模型驗(yàn)證(將模態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比)，再基于準(zhǔn)確的仿真模型，對星載電子設(shè)備在加速度過載、沖擊、正弦振動及隨機(jī)振動等各種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和受力情況進(jìn)行分析，得到了對應(yīng)的安全裕度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足星載環(huán)境要求。

文中針對該星載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)仿真及測試對于理解其力學(xué)特性具有重要的意義，同時(shí)其仿真分析流程及思路也具有較大的借鑒意義。

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吳孟武(1984-),男,工程師,主要從事軍用雷達(dá)電源及配電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

黃春江(1971-),男,高級工程師,主要從事軍用雷達(dá)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

MechanicalSimulationAnalysisofaSpace-borneElectronicEquipment

WUMeng-wu，HUANGChun-jiang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Extremely high reliability for the space-borne electronic equipment is required for it has to face various severe environments during the launching stage and in the space. In order to reduce the cost of environmental tests and shorten the development cycle, the mechanical simulation model of a certain space-borne electronic equipment is established by ANSYS software. Modal simulation and test are both carried out to verify the simulation model. The result shows that the simulation data and test data are almost the same. Based on the simulation model, the acceleration overload, impact resistance, sinusoidal vibration and random vibration performance of the electronic equipment are analyzed and the corresponding mechanical response data such as deformation and stress are obtained. The result shows that the mechanical design of the electronic equipment satisfies the strength requirement in the space-borne environment. The mechanical simulation and test in this paper are very helpful for understanding the mechanical characteristics of the space-borne electronic equipment.

space-borne electronic equipment; mechanical simulation; modal test; random vibration

2015-07-13

TP391.99

：A

：1008-5300(2015)04-0049-08