某彈載信息采集設(shè)備振動(dòng)分析與減振設(shè)計(jì)

郭張霞，田家林，裴暢貴

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

在導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，工程人員常以初次飛行數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行后期的研究與改進(jìn)工作。同時(shí)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)導(dǎo)彈技術(shù)性能要求不斷提高，工程人員越來(lái)越重視彈上飛行數(shù)據(jù)的收集與分析工作［1］，在這種綜合環(huán)境下彈載信息采集設(shè)備便應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于這類(lèi)彈載電子設(shè)備除了要滿足產(chǎn)品自身的電氣性能指標(biāo)外，還應(yīng)具備在各種苛刻的機(jī)械動(dòng)態(tài)環(huán)境下正常工作的能力［2］。根據(jù)大量數(shù)據(jù)顯示，彈載電子設(shè)備在實(shí)際運(yùn)用中常受到來(lái)自振動(dòng)、沖擊、離心力以及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力等機(jī)械外力的破壞，其中危害最大的就是振動(dòng)與沖擊［3］。有研究結(jié)果表明：由振動(dòng)和沖擊引起的電子系統(tǒng)的失效比例高達(dá) 27%［4］。

為了使彈載信息采集設(shè)備可以在整個(gè)導(dǎo)彈飛行過(guò)程中保持正常工作的能力，使其能夠克服各種強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)沖擊的惡劣環(huán)境，就必須對(duì)其進(jìn)行抗沖擊與減振設(shè)計(jì)［5-6］。

1 電子設(shè)備減振相關(guān)理論分析

多自由度振動(dòng)基本原理與單自由度相同，建立減振系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程如下［7］：

其中，［M］、［C］、［K］分別為減振對(duì)象質(zhì)量、阻尼與剛度矩陣，{y}、{x}分別為基礎(chǔ)支撐運(yùn)動(dòng)位移與減振對(duì)象（信息采集設(shè)備）振動(dòng)響應(yīng)位移。

令{u}為彈載設(shè)備相對(duì)基礎(chǔ)支撐的位移向量，則式（1）可轉(zhuǎn)化為：

彈載電子設(shè)備減振系統(tǒng)初步采用底部安裝4個(gè)減振器的減振方法［8-10］，同時(shí)各減振器安裝位置對(duì)稱分布于兩個(gè)慣性主軸平面。

同時(shí)采用模態(tài)疊加法對(duì)式（2）進(jìn)行求解，可得模態(tài)矩陣：

其中，ξi為第i階模態(tài)特征向量，定義模態(tài)坐標(biāo){Q}={q1，q2，q3，q4，q5，q6}，位移向量可表示為：

由式（5）可以看出振動(dòng)系統(tǒng)已解耦，因而可依據(jù)單自由度振動(dòng)公式計(jì)算得出qi，將其代入式（4）則可求得設(shè)備各敏感元件或組件振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果。

2 信息采集設(shè)備振動(dòng)特性分析

2.1 信息采集設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及有限元建模

對(duì)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖1所示。

圖1 設(shè)備裝配關(guān)系簡(jiǎn)化前后

電源模塊包含二次電源電路板、隔離電源、濾波器與二次電源各1個(gè)，如圖2（a）所示；光纖連接器模塊包含4個(gè)光纖連接器，如圖2（b）所示；探測(cè)器電路模塊包含1塊探測(cè)器電路主控板與6塊探測(cè)器電路板，如圖2（c）所示。

2.2 設(shè)備固有動(dòng)態(tài)特性分析

設(shè)備前10階模態(tài)參數(shù)如表1所示。

圖2 設(shè)備關(guān)鍵部位重點(diǎn)元器件編號(hào)說(shuō)明

表1 設(shè)備前10階模態(tài)諧振點(diǎn)

2.3 設(shè)備總體振動(dòng)力學(xué)分析

在模態(tài)分析階段提取前2000 Hz以內(nèi)的共振頻率值及相應(yīng)振型。初步設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼為：0.025。分布云圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備的應(yīng)力與位移分布云圖

仿真結(jié)果分析：X向最大應(yīng)力部位左側(cè)螺釘連接處（27.316 Mpa）最大位移部位光源發(fā)生模塊右上端（0.102 mm）；Y向最大應(yīng)力部位右側(cè)螺釘連接處（14.86 Mpa）最大位移部位上蓋中間靠近光纖連接器處（0.039 mm）；Z向最大應(yīng)力部位安裝板中間部位（14.07 Mpa）最大位移部位上蓋中間靠近光纖連接器處（0.029 mm）。

2.4 電源模塊振動(dòng)特性分析

2.4.1 電源模塊振動(dòng)力學(xué)分析

其響應(yīng)應(yīng)力與位移分布云圖如下頁(yè)圖4所示。

仿真結(jié)果分析：X向最大應(yīng)力部位二次電源左下方（3.22 Mpa）最大位移部位二次電源電路板右下方（0.010mm）；Y向最大應(yīng)力部位二次電源下方中間（4.01 Mpa）最大位移部位二次電源電路板右上方（0.012 mm)；Z向最大應(yīng)力部位二次電源下方中間（0.17 Mpa）最大位移部位隔離電源右下端（0.0085 mm）。

由此可以得出電源模塊在設(shè)備主箱體上的安裝部位在Y方向剛度最弱，X方向其次，Z方向最強(qiáng)，可知，受Y方向振動(dòng)時(shí)最容易對(duì)設(shè)備電源模塊造成疲勞破壞。

2.4.2 電源模塊隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)曲線分析

完成仿真計(jì)算后，對(duì)設(shè)備電源模塊各元器件的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)進(jìn)行記錄，如表2所示。

圖4 設(shè)備電源模塊的應(yīng)力與位移分布云圖

表2 設(shè)備電源模塊各元器件響應(yīng)振動(dòng)量級(jí)參數(shù)表

由表2看出，設(shè)備電源模塊受Y方向振動(dòng)時(shí)的響應(yīng)量級(jí)明顯高于其他兩個(gè)方向，從而可以進(jìn)一步驗(yàn)證，電源模塊在設(shè)備主箱體上的安裝部位在Y方向上剛度最弱，X方向其次，Z方向最強(qiáng)。受Y向振動(dòng)時(shí)，隔離電源最容易發(fā)生振動(dòng)破壞。

隔離電源其3個(gè)方向上的振動(dòng)響應(yīng)功率譜曲線如圖5所示。

圖5 不同方向隔離電源振動(dòng)功率譜響應(yīng)曲線

其中，隔離電源受Y方向振動(dòng)時(shí)的響應(yīng)量級(jí)最大，在20 Hz～2000 Hz范圍內(nèi)發(fā)生了3次共振，其中最高共振峰所對(duì)應(yīng)的諧振頻率為1046.9 Hz；受X方向振動(dòng)時(shí)隔離電源共發(fā)生了2次共振，其諧振頻率分別為1242 Hz與1815.4 Hz，與設(shè)備模態(tài)分析結(jié)果基本吻合。

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，設(shè)備受Y向振動(dòng)時(shí)，各元器件的振動(dòng)響應(yīng)功率譜密度對(duì)比曲線如圖6所示。

圖6 受Y向振動(dòng)時(shí)各元器件響應(yīng)功率譜密度對(duì)比曲線

綜上所述，從設(shè)備電源模塊總體振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果來(lái)看，對(duì)電源模塊影響最為嚴(yán)重的振動(dòng)方向?yàn)閅方向，其次為X方向，最小為Z方向，從電源模塊各元器件的響應(yīng)曲線來(lái)看，各元器件受同一方向振動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線規(guī)律相同。

3 信息采集設(shè)備減振方案設(shè)計(jì)與分析

3.1 減振方案設(shè)計(jì)

采用的整體減振與局部減振相結(jié)合的減振方案。

3.2 探測(cè)器電路板模塊抗振加固設(shè)計(jì)

對(duì)于印制電路板的抗振加固設(shè)計(jì)，主要有兩種方式：一是增加印制板厚度；二是對(duì)印制板背部添加加強(qiáng)筋。

3.2.1 增加電路板的厚度

3種厚度印制板的模態(tài)仿真結(jié)果如表3、表4所示。

表3 不同印制電路板厚度固有頻率對(duì)比

表4 不同印制電路板厚度隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

增加印制板厚度可有效提高探測(cè)器電路模塊的抗振性能。

3.2.2 背部添加加強(qiáng)筋

根據(jù)前期振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，探測(cè)器印制電路板上端剛性較弱，底部由于直接與插針相連，剛度一定程度上有所提高，因此，加強(qiáng)筋的安裝位置如圖7所示。

圖7 加強(qiáng)筋安裝示意圖

隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果如表5所示，其加速度與位移響應(yīng)云圖分別如圖8、圖9所示。

表5 不同印制電路板厚度隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

圖8 探測(cè)器印制電路板振動(dòng)加速度響應(yīng)對(duì)比

圖9 探測(cè)器印制電路板振動(dòng)位移響應(yīng)對(duì)比

對(duì)印制電路板背部添加加強(qiáng)筋可有效提高探測(cè)器模塊的抗振性能。

綜上所述，隨著印制板厚度的增加，探測(cè)器印制電路板的剛度不斷提高；對(duì)印制電路板背部添加加強(qiáng)筋同樣可以增大探測(cè)器印制電路板的剛度。但在印制電路板的厚度過(guò)大時(shí)，將大大增加探測(cè)器集成器件的焊接難度。經(jīng)綜合考慮，采用增加探測(cè)器印制板厚度為2 mm和背部添加加強(qiáng)筋相結(jié)合的方式進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)。

3.3 設(shè)備整體減振設(shè)計(jì)

設(shè)備減振器裝配圖如圖10所示。

圖10 設(shè)備外部減振器裝配圖及安裝位置

3.3.1 電源模塊減振分析

整體減振后電源模塊中4個(gè)元器件的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)如表6所示，同時(shí)對(duì)比表2，可以計(jì)算得出電源模塊各元器件的減振效率如表7所示。

表6 電源模塊各元器件振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)

表7 電源模塊各元器件減振效率

表7中各元器件的減振效率均高于45%，滿足設(shè)計(jì)要求，其中Y向振動(dòng)的減振效率最高，X向減振效率其次，Z向減振效率最弱。為了更加詳細(xì)了解各元器件的減振情況，分別受X、Y、Z向振動(dòng)時(shí)各元器件的響應(yīng)功率譜密度對(duì)比曲線分別如下頁(yè)圖11所示。

根據(jù)彈載信息采集設(shè)備減振后電源模塊的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，此種減振方案已經(jīng)滿足了減振設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

在彈載信息采集設(shè)備的振動(dòng)分析及減振設(shè)計(jì)過(guò)程中取得如下研究成果。

1）對(duì)彈載信息采集設(shè)備三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化及等效建模，顯著提高了有限元仿真的計(jì)算效率，大大縮短了運(yùn)算時(shí)間。

圖11 振動(dòng)電源模塊各元器件響應(yīng)功率譜密度曲線

2）通過(guò)對(duì)彈載信息采集設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析與隨機(jī)振動(dòng)分析，得出設(shè)備各關(guān)鍵模塊的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，即設(shè)備各關(guān)鍵模塊主要在高頻階段發(fā)生共振，這為信息采集設(shè)備減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3）在彈載信息采集設(shè)備減振系統(tǒng)的仿真分析過(guò)程中，完成減振器的等效模擬及減振系統(tǒng)振動(dòng)特性分析，為以后減振系統(tǒng)的有限元仿真提供參考。

［1］董梅.艦船指控設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題［J］.兵工自動(dòng)化，2014，33（10）：33-36.

［2］秦麗，陳員娥，李峰.彈載存儲(chǔ)設(shè)備在侵徹下的失效分析［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2014，34（8）：158-161.

［3］李沅，李凱，王曉飛，等.彈載制導(dǎo)系統(tǒng)抗振動(dòng)與高過(guò)載沖擊設(shè)計(jì)仿真［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（3）：293-297.

［4］陳燕.彈載直流電源的動(dòng)態(tài)特性研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.

［5］李朝旭.電子設(shè)備的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)［J］.電子機(jī)械工程，2002，18（1）：51-53.

［6］陳榮.斜置隔振系統(tǒng)功率流傳遞特性研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［7］李冰.ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［8］唐煒斌.某型機(jī)載電子設(shè)備安裝架動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2008.

［9］仇遠(yuǎn)旺，王國(guó)治.基于振動(dòng)傳遞分析的艦船輻射噪聲特性研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，25（2）：110-114.

［10］武振鵬.車(chē)載電子設(shè)備的隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.石油儀器，2014，28（3）：15-18.