某電子設(shè)備耐大量級振動(dòng)組合式減振器研制

趙 川 劉 通 王碩玨 周 鵬 趙云峰

(航天材料及工藝研究所,北京 100076)

某電子設(shè)備耐大量級振動(dòng)組合式減振器研制

趙 川 劉 通 王碩玨 周 鵬 趙云峰

(航天材料及工藝研究所,北京 100076)

文 摘 某電子設(shè)備在飛行過程中遭受均方根加速度高達(dá)38g的振動(dòng)環(huán)境，為了降低其振動(dòng)響應(yīng)，采用有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研制了一種新型的組合式橡膠減振器。通過與T型減振器進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的組合式橡膠減振器使電子設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)由38g下降到11g，減振效率高達(dá)71%，且共振峰放大倍數(shù)小于3。

電子設(shè)備，有限元，隨機(jī)振動(dòng)，橡膠減振器

0 引言

近年來，隨著大功率和高能耗設(shè)備的不斷開發(fā)應(yīng)用，振動(dòng)和噪聲成為了困擾設(shè)備內(nèi)部電子元器件正常工作的嚴(yán)重問題。寬頻帶隨機(jī)振動(dòng)是最常遇到的一種工況環(huán)境，其高頻分量會(huì)破壞電子設(shè)備穩(wěn)定性和精度，低頻分量會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的破壞，嚴(yán)重影響設(shè)備工作的可靠性[1]。在傳遞到電子設(shè)備上的均方根加速度(RMS)低于10g時(shí)，部分電子產(chǎn)品可以通過產(chǎn)品自身剛度提高等方式通過振動(dòng)測試；當(dāng)RMS達(dá)到15g甚至更高量級時(shí)，即需要對電子設(shè)備進(jìn)行阻尼減振處理以削減傳遞到設(shè)備上的振動(dòng)能量。

在電子設(shè)備上安裝橡膠減振器或金屬減振器是常用的阻尼減振處理方式，而在抑制寬頻帶隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，橡膠減振器具有較為明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：(1)模量可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整,通過控制減振器所用材料模量來調(diào)整系統(tǒng)頻率，完成對減振系統(tǒng)的頻率設(shè)計(jì)；(2)阻尼因子較高,相對其他材料在抑制共振峰放大時(shí)具有較大的作用。橡膠減振器的缺點(diǎn)在于其強(qiáng)度較低，可靠性亟待加強(qiáng)。然而，通過有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析計(jì)算，在保證結(jié)構(gòu)安裝可靠性的基礎(chǔ)上，橡膠減振器能夠起到更大的阻尼減振作用。

某測量裝置，在飛行過程中承受的隨機(jī)振動(dòng)RMS最大時(shí)達(dá)到38g，作用時(shí)間為1 min，超出了其最大承受15g的能力，嚴(yán)重影響其內(nèi)部電子設(shè)備的正常工作，因而需要對其進(jìn)行阻尼減振處理。本文采用有限元分析和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研制了一種組合式橡膠減振器，顯著降低了測量裝置內(nèi)部電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，極大改善了其動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境，滿足設(shè)備的使用要求。

1 減振器設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

(1)需減振電子設(shè)備約3.2 kg，減振器通過4個(gè)外徑Ф12 mm的法蘭孔安裝在設(shè)備與安裝板之間。

(2)設(shè)備的工作溫區(qū)為-40～100℃。要求在全溫度范圍內(nèi)，安裝減振器后的設(shè)備頻率穩(wěn)定，波動(dòng)在±8 Hz以內(nèi)。

(3)設(shè)備在飛行過程中承受RMS高達(dá)38g的隨機(jī)振動(dòng)工況，要求安裝減振器后，設(shè)備上的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)降到12g以下。

(4)安裝減振器后，設(shè)備的諧振頻率不低于60 Hz，且共振峰放大倍數(shù)小于4.5。

1.2 材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橡膠減振器的設(shè)計(jì)包括材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。材料設(shè)計(jì)即根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，篩選或者研制滿足要求的橡膠材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為根據(jù)設(shè)備的安裝接口要求，設(shè)計(jì)滿足安裝工況并能在振動(dòng)環(huán)境中滿足強(qiáng)度要求的減振器結(jié)構(gòu)。

根據(jù)指標(biāo)要求，減振器需要在寬溫范圍內(nèi)起到良好的減振效果，且頻率波動(dòng)較小，這就要求減振器在全溫度范圍內(nèi)模量變化不大，且阻尼因子較高。橡膠模量隨著溫度的升高逐漸降低，在高彈態(tài)時(shí)模量趨于穩(wěn)定，橡膠減振器應(yīng)用的也是接近Tg的高彈態(tài)溫度段[2]。因此，要求減振器所用材料的Tg要低于減振器的最低使用溫度-40℃，且Tg最好在-60℃左右。航天材料及工藝研究所研制的以低苯基硅橡膠為基膠的ZN系列高阻尼材料約有30個(gè)牌號，涵蓋了不同硬度和不同阻尼范圍[3-4]。從中篩選相應(yīng)牌號，可以滿足指標(biāo)要求。

根據(jù)上級結(jié)構(gòu)要求，減振器安裝在設(shè)備四個(gè)角的法蘭孔上，法蘭孔的外徑為12 mm。通常設(shè)計(jì)的減振器結(jié)構(gòu)形式為T型減振器[5]，如圖1所示。然而T型減振器的中間接縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，特別是在大量級振動(dòng)下極易產(chǎn)生破壞，影響減振器可靠性。

為此，我們設(shè)計(jì)了如圖2所示的組合式減振器，通過將減振器設(shè)計(jì)成分離式結(jié)構(gòu)，確保減振器不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)。減振器由上下減振墊、減振柱組成，減振墊起垂向減振作用，減振柱起側(cè)向減振作用，可以對三個(gè)方向頻率分別設(shè)計(jì)。減振墊、減振柱尺寸與被減振設(shè)備接口配合設(shè)計(jì)。

2 有限元分析

采用MSC.Nastran有限元分析軟件，對安裝組合式減振器后的系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析[6]。

2.1 模型的建立

設(shè)備為立方體結(jié)構(gòu)，箱體中空，通過調(diào)整材料密度保證模型的質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量相同。

邊界條件為減振器的四個(gè)安裝孔對應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)的三個(gè)平動(dòng)自由度全部約束。整個(gè)模型共有16 935個(gè)節(jié)點(diǎn)，13 544個(gè)單元，整個(gè)系統(tǒng)的有限元模型見圖3。

減振器結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)設(shè)備接口配合設(shè)計(jì)。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，減振墊高度設(shè)計(jì)為6 mm，減振柱外徑設(shè)計(jì)為12.2 mm，采用金屬襯套進(jìn)行限位。

分析中設(shè)定金屬材料的模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度為7 .8 g/cm3；橡膠材料的性能參數(shù)則需要根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)整，最終確定彈性剪切模量為2.8 MPa，阻尼因子為0.2，泊松比為0.49。

2.2 有限元分析結(jié)果

設(shè)定參數(shù)后，對安裝減振器的設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算，輸入總RMS值為38g，獲得響應(yīng)參數(shù)。

有限元分析結(jié)果如圖4所示。在上述設(shè)置的參數(shù)條件下，減振器垂向的諧振頻率為78 Hz，放大倍數(shù)經(jīng)計(jì)算后為3.5，減振后的均方根值為10.61g，減振效率為72%；減振器側(cè)向的諧振頻率為74.5 Hz，放大倍數(shù)為3.8，減振后的均方根值為11.60g，減振效率為69%，均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且側(cè)向減振后的均方根值接近技術(shù)指標(biāo)要求的上限12g。由于減振效率與諧振頻率負(fù)相關(guān)，因此應(yīng)當(dāng)將減振后系統(tǒng)的側(cè)向頻率固定在60～75 Hz之間，可以滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

有限元分析對減振器所用橡膠材料的性能提出了具體要求，即彈性剪切模量不大于2.8 MPa，常溫下對應(yīng)諧振頻率的阻尼因子應(yīng)大于0.2。根據(jù)上述分析，自制的高性能硅橡膠阻尼材料ZN-35符合設(shè)計(jì)要求。選用ZN-35阻尼材料制備相應(yīng)的試樣，材料的邵氏硬度為54，拉伸強(qiáng)度為9.22 MPa，彈性剪切模量為2.64 MPa，阻尼因子為0.24，其中彈性剪切模量和阻尼因子在30℃，125 Hz的條件下測得。

采用ZN-35阻尼膠料壓制兩種減振器，結(jié)構(gòu)分別如圖1(T型)、圖2(組合式)所示，接口尺寸與被減振設(shè)備配合設(shè)計(jì)，其他尺寸保持一致，減振器安裝在待測設(shè)備四角的法蘭孔上。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，工裝安裝在臺面上；減振器安裝在工裝與待測設(shè)備之間，采用螺釘固定。分別在振動(dòng)臺面和待測設(shè)備上安裝控制傳感器和測量傳感器，通過測量傳感器的數(shù)據(jù)獲得減振后的RMS值，通過測量傳感器和控制傳感器的比值獲得減振器的諧振頻率和諧振點(diǎn)放大倍數(shù)。

常溫下隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯?，采用組合式減振器的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)值基本吻合了有限元分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)的減振器滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且垂向和側(cè)向的放大倍數(shù)僅為2.74和2.82。這是因?yàn)閆N-35的阻尼因子達(dá)到0.24，高于有限元計(jì)算時(shí)設(shè)定的0.2，因而在抑制共振峰放大時(shí)能夠起到更良好的作用。與之相比，采用T型減振器的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)值中，兩個(gè)方向之間的諧振頻率差異較大，達(dá)到10 Hz；且由于側(cè)向的諧振頻率較高，減振后RMS值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出技術(shù)指標(biāo)的要求。

表1 常溫隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種結(jié)構(gòu)減振器在高低溫下的減振效果，分別在100、-40℃下進(jìn)行上述類似的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果如表2所示。

表2 高低溫隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

由于硅橡膠在較寬的溫度范圍內(nèi)模量穩(wěn)定，且具有良好的力學(xué)和阻尼性能，因而兩種減振器在高低溫下的諧振頻率與常溫相比，頻率波動(dòng)均不大。相較于T型減振器，組合式減振器的頻率波動(dòng)更小，在±8 Hz內(nèi)，滿足技術(shù)指標(biāo)要求；同時(shí)諧振點(diǎn)放大倍數(shù)相對穩(wěn)定，減振效果更優(yōu)。

通過對比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相較于T型減振器，組合式減振器有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)垂向和側(cè)向結(jié)構(gòu)互相獨(dú)立，在設(shè)計(jì)的過程中可以分別設(shè)計(jì)，使不同方向的諧振頻率和放大倍數(shù)同時(shí)滿足技術(shù)指標(biāo)要求，不會(huì)出現(xiàn)T型減振器由于不同方向互相掣肘無法同時(shí)滿足技術(shù)指標(biāo)的現(xiàn)象；

(2)結(jié)構(gòu)更為可靠，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，以致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4 結(jié)論

通過有限元分析和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種耐大量級振動(dòng)的組合式硅橡膠減振器。通過與T型減振器進(jìn)行對比振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，組合式減振器具有更優(yōu)的可設(shè)計(jì)性與可靠性；設(shè)計(jì)的減振器可以極大的降低設(shè)備上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減振后隨機(jī)振動(dòng)RMS僅為11g左右，且共振峰放大倍數(shù)小于3，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

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[6] 馬愛軍,周傳月,王旭.Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2005:5-75.

Design of Combined Damper Applied on Electronic Equipment Enduring High-Level Vibration

ZHAO Chuan LIU Tong WANG Shuojue ZHOU Peng ZHAO Yunfeng

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology，Beijing 100076)

One electronic equipment undergoes acceleration up to 38gin flight vibration environment. To reduce the vibration response of the equipment, a new type of combined rubber damper is developed through FEM analysis and test verification. The results show that the random vibration response of the equipment decreases from 38gto 11gby using this damper, indicating a vibration reduction efficiency of 71%, and moreover the resonance amplification factor is less than 3.

Electronic equipment, FEM, Random vibration, Rubber damper

2016-12-03

趙川，1987年出生，碩士，主要從事阻尼減振技術(shù)研究。E-mail：chuanwudi@sina.com

分類號：TB3 DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.006