某星載雷達(dá)電子設(shè)備的剛強(qiáng)度有限元分析*

吳文志，程 林，張 平，彭 超，王志海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某星載雷達(dá)電子設(shè)備的剛強(qiáng)度有限元分析*

吳文志，程 林，張 平，彭 超，王志海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

星載電子設(shè)備是衛(wèi)星雷達(dá)的重要部件，其結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度直接關(guān)系到衛(wèi)星雷達(dá)的性能。為保證某星載電子設(shè)備在嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境下不失效及不被破壞，文中采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS建立其力學(xué)仿真模型，進(jìn)行了模態(tài)分析和加速度過(guò)載、正弦振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)等工況下的力學(xué)分析，得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型以及各工況下相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度響應(yīng)和安全裕度數(shù)據(jù)。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)境設(shè)計(jì)要求。該仿真分析對(duì)星載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的意義。

星載電子設(shè)備；有限元分析；剛強(qiáng)度；加速度過(guò)載；隨機(jī)振動(dòng)

引 言

星載電子設(shè)備在加工、裝調(diào)、運(yùn)輸、發(fā)射和入軌等過(guò)程中，需承受各種復(fù)雜、嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境作用，如加速度、噪聲、沖擊及振動(dòng)等[1]。嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電子元器件受損或失效、電子線路短路或斷路和接插件松動(dòng)等環(huán)境效應(yīng)，嚴(yán)重影響衛(wèi)星雷達(dá)的安全性和可靠性[2]。因此，力學(xué)環(huán)境對(duì)衛(wèi)星電子設(shè)備工作可靠性的影響不容忽視，已引起廣泛關(guān)注[3-6]。

在產(chǎn)品研制過(guò)程中，要準(zhǔn)確評(píng)估壽命周期內(nèi)在各種力學(xué)環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度響應(yīng)，就需在地面開(kāi)展靜加速度、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)(噪聲)及瞬態(tài)沖擊等環(huán)境鑒定試驗(yàn)[1]。隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品研制過(guò)程中，通過(guò)仿真手段預(yù)示結(jié)構(gòu)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)特性，確認(rèn)結(jié)構(gòu)的合理性，為結(jié)構(gòu)參數(shù)的最終確定提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，可顯著減少試驗(yàn)次數(shù)，提高研制效率，縮短研制周期，降低研制費(fèi)用。

本文闡述了某星載電子設(shè)備經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境，并采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了對(duì)應(yīng)的力學(xué)仿真模型。應(yīng)用該仿真模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模

態(tài)分析，并對(duì)其在加速度過(guò)載、正弦振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)等各種工況下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)分析。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)境設(shè)計(jì)要求。

1 星載電子設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)及力學(xué)環(huán)境條件

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

該星載電子設(shè)備主要由機(jī)箱殼體、頂板、底板、側(cè)板以及內(nèi)部支撐件等組成，其三維模型如圖1所示。整個(gè)設(shè)備通過(guò)6個(gè)安裝孔固定在衛(wèi)星安裝平臺(tái)上。

圖1 星載電子設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 力學(xué)環(huán)境條件

根據(jù)星載產(chǎn)品力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性要求，該結(jié)構(gòu)需承受加速度過(guò)載、隨機(jī)振動(dòng)及正弦振動(dòng)等力學(xué)環(huán)境作用而不會(huì)失效，不被破壞。該星載電子設(shè)備所對(duì)應(yīng)的鑒定級(jí)的力學(xué)試驗(yàn)條件見(jiàn)表1～表3。

表1 星載電子設(shè)備加速度過(guò)載試驗(yàn)條件

表2 星載電子設(shè)備正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

表3 星載電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

2 星載電子設(shè)備有限元模型的建立

根據(jù)該星載電子設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化處理：去掉尺寸較小的孔、圓角以及倒角。采用專(zhuān)業(yè)的前處理軟件HyperMesh對(duì)簡(jiǎn)化后的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。整個(gè)有限元模型由106 224個(gè)節(jié)點(diǎn)和229 687個(gè)單元組成，所用的單元均為體單元，螺釘連接用RBE2單元模擬。該結(jié)構(gòu)所采用的材料均為鋁合金2A12，其楊氏模量為70 GPa，泊松比為0.3，密度為2 780 kg/m3。計(jì)算時(shí)，6個(gè)安裝孔位置完全固定。

圖2 星載電子設(shè)備的有限元模型

3 星載電子設(shè)備模態(tài)仿真分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ), 其目的是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，其結(jié)果對(duì)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)有較大的實(shí)用價(jià)值[7]。本文在ABAQUS中采用Lanczos方法計(jì)算了該結(jié)構(gòu)在約束模態(tài)下各階的固有頻率及振型。該電子設(shè)備前6階的固有頻率見(jiàn)表4，對(duì)應(yīng)的振型如圖3所示。

表4 星載電子設(shè)備前6階固有頻率 Hz

階數(shù)123456頻率618．5764．9817．2973．4990．81076．3

圖3 星載電子設(shè)備前6階模態(tài)振型圖

從圖3可知，在約束模態(tài)下，第1、3、6階模態(tài)振型的最大變形均發(fā)生在星載電子設(shè)備的頂板上；第2、4階模態(tài)振型的最大變形發(fā)生在星載電子設(shè)備的底板上。這主要是由于頂板和底板是該電子設(shè)備較為薄弱的部位。其中，第1、3、6階模態(tài)振型分別為頂板的1彎、2彎及3彎；第2、4階模態(tài)振型分別為底板的1彎和2彎。從表4可知，在約束模態(tài)下，結(jié)構(gòu)的基頻均大于600 Hz，遠(yuǎn)高于正弦振動(dòng)條件下最高的掃頻頻率(100 Hz)，有效地避開(kāi)了外部工作激勵(lì)頻率，該星載電子設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4 星載電子設(shè)備加速度過(guò)載仿真分析

加速度過(guò)載試驗(yàn)所給的載荷維持時(shí)間較長(zhǎng)，而且其變化符合線性規(guī)律，不具有周期性。仿真分析直接采用靜力分析的方法進(jìn)行。該星載電子設(shè)備在加速度過(guò)載作用下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度響應(yīng)如圖4所示。

圖4 加速度過(guò)載下星載電子設(shè)備剛強(qiáng)度響應(yīng)

從圖4可知，在X、Y、Z三軸向加速度過(guò)載作用下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力分別為1.07 MPa、1.75 MPa和2.45MPa，均出現(xiàn)在安裝孔處；最大變形分別為2.23e-3 mm、3.26e-3 mm及9.38e-3 mm，分別出現(xiàn)在側(cè)板中心處、頂板中心處和頂板中心處。

安全裕度定義為

式中：σs為最大許用應(yīng)力，這里取鋁合金的屈服極限270 MPa；σmax為計(jì)算得到的最大應(yīng)力；f為安全系數(shù)，本文取1.5。

將數(shù)據(jù)帶入上式可得在X、Y、Z三軸向加速度過(guò)載作用下的結(jié)構(gòu)安全裕度，分別為[MS]X≥167> 0、[MS]Y≥ 101> 0和[MS]Z≥72>0。這表明該電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足加速度過(guò)載環(huán)境要求。

5 星載電子設(shè)備正弦振動(dòng)仿真分析

正弦振動(dòng)分析是用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下響應(yīng)的方法。在正弦振動(dòng)分析中,激勵(lì)載荷在頻域中以顯式方式定義，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)加載頻率，外載荷都是已知的[1]。外載荷可以是力，也可以是強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)(位移、速度或加速度)。本文基于模態(tài)分析的結(jié)果，采用諧響應(yīng)分析的方法進(jìn)行正弦振動(dòng)仿真分析。在表2所給的輸入條件中，外載荷分別為加速度及位移，因此在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，需分段進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

計(jì)算結(jié)果顯示，在100 Hz時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度響應(yīng)最大，此時(shí)結(jié)構(gòu)承受的力學(xué)環(huán)境最為惡劣。圖5為該星載電子設(shè)備在X、Y、Z三軸向正弦振動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)受力及變形情況(對(duì)應(yīng)的頻率為100 Hz)。

圖5 正弦振動(dòng)下星載電子設(shè)備的剛強(qiáng)度響應(yīng)

從圖5可知，在X、Y、Z三軸向正弦振動(dòng)載荷作用下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力分別為1.3MPa、2.1MPa和2.9MPa，均出現(xiàn)在安裝孔處；最大變形分別為2.63e-3mm、4.03e-3 mm及1.13e-3 mm，分別出現(xiàn)在側(cè)板中心處、頂板中心處和頂板中心處。對(duì)應(yīng)的安全裕度分別為[MS]X≥137> 0、[MS]Y≥ 84> 0和[MS]Z≥61>0，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足正弦振動(dòng)環(huán)境要求。

6 星載電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模態(tài)疊加法，取臨界阻尼比0.03，以表3所示的試驗(yàn)條件作為載荷輸入，計(jì)算天線在X、Y、Z向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)。圖6為3個(gè)方向的1σ應(yīng)力和1σ變形云圖。

圖6 隨機(jī)振動(dòng)下星載電子設(shè)備的剛強(qiáng)度響應(yīng)

從圖6可知，在X、Y、Z三向隨機(jī)載荷作用下，結(jié)構(gòu)的最大1σ應(yīng)力分別為2.8 MPa、7.4 MPa和14.3 MPa，分別位于側(cè)板與殼體連接處、頂板處和安裝孔處；對(duì)應(yīng)1σ變形分別為8.19e-3mm、1.48e-2mm及6.21e-2 mm，分別位于側(cè)板中心處、頂板中心處和頂板中心處。對(duì)應(yīng)X、Y、Z三向的最大3σ應(yīng)力分別為8.4 MPa、22.2 MPa和42.9 MPa，最大3σ變形分別為2.46e-2 mm、4.44e-2 mm及0.19 mm。比較上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在Z向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)受力及變形明顯大于X向和Y向，這是由于星載電子設(shè)備在Z向的剛強(qiáng)度最弱。在Z向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的安全裕度為MS≥3.2>0，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了某星載電子設(shè)備在不同力學(xué)環(huán)境下的

結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度響應(yīng)。首先闡述了該結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境；之后采用有限元分析，對(duì)該星載電子設(shè)備的模態(tài)進(jìn)行了分析，得到了其頻率及振型；最后對(duì)其進(jìn)行了加速度過(guò)載、正弦振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)等工況下的力學(xué)分析，得到了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度響應(yīng)和安全裕度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，該電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足星載力學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。該有限元分析結(jié)果對(duì)星載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的意義，可顯著降低研制成本， 縮短研制周期。

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吳文志(1984-)，男，博士，工程師，主要從事星載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

Finite Element Analysis for Stiffness and Strength ofElectronic Equipment of a Space-borne Radar

WU Wen-zhi，CHENG Lin，ZHANG Ping，PENG Chao，WANG Zhi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The space-borne electronic equipment is the key component of the space-borne radar. Its stiffness and strength have direct effect on the performances of the space-borne radar. In this paper, to ensure that the electronic equipment of a space-borne radar works effectively and is not damaged under the severe environment, the mechanical simulation model of the electronic equipment is established by ABAQUS software. Based on the mechanical model, the modal analysis and mechanical analysis under the acceleration overload, the sinusoidal vibration and the random vibration are conducted. The natural frequency, vibration modes and the corresponding stiffness & strength response data and the safe margin data are obtained. The result shows that the structure design of the electronic equipment satisfies the requirement. The finite element analysis is significant to the structure design of the space-borne electronic equipment.

space-borne electronic equipment; finite element analysis; stiffness and strength; accelerationoverload; random vibration

2016-01-03

V243

A

1008-5300(2016)03-0056-04