沖擊下艦載機(jī)柜內(nèi)部沖擊環(huán)境分析

吳 桐,馮麟涵

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 武漢 430063; 2.海軍研究院， 北京 100161)

艦船在作戰(zhàn)中會(huì)遭受到水下非接觸爆炸引起的高強(qiáng)度沖擊(以下簡稱強(qiáng)沖擊)[1]。電子設(shè)備在強(qiáng)沖擊作用下，艦船機(jī)柜及內(nèi)部電子設(shè)備會(huì)因承受過大的加速度而遭到破壞[2]，使元器件和零部件失效、整機(jī)電性能下降、結(jié)構(gòu)損傷，甚至造成整機(jī)功能和性能的完全喪失等事故[3]。當(dāng)前研究主要針對電子機(jī)柜本身的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，忽略了機(jī)柜不同位置元器件不同的沖擊環(huán)境。機(jī)柜板架結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊響應(yīng)，往往引起機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備破壞。

機(jī)柜結(jié)構(gòu)板與架之間通過螺栓連接，王其東等[4]針對機(jī)柜結(jié)構(gòu)連接部位建模，提出了“node to node”、節(jié)點(diǎn)自由度耦合、梁單元模擬螺栓三種方法?！皀ode to node”建模簡便，但高頻段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大；節(jié)點(diǎn)自由點(diǎn)耦合法在低頻段與試驗(yàn)值接近，隨著頻率上升誤差顯著增大；梁單元模擬螺栓法在高頻段與實(shí)驗(yàn)最接近。程林風(fēng)等[5]依據(jù)有效模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)振型對艦載機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出了提高艦載機(jī)柜抗振性能的措施并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，提高了艦載武器系統(tǒng)工作的可靠性。楊宇軍認(rèn)為由于機(jī)柜外板、橫板與支架連接使用的螺栓較為密集，可視為剛性連接[6]。艦載機(jī)柜在作戰(zhàn)時(shí)受到垂向、縱向、橫向沖擊作用，不同方向的沖擊作用會(huì)對機(jī)柜產(chǎn)生不同程度的損壞，亞璘，歐陽光耀[7]對通電狀態(tài)下裝有減振器的機(jī)柜進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并且與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)機(jī)柜的垂向加速度響應(yīng)明顯高于橫向和縱向加速度響應(yīng)。

本文以整流機(jī)柜為研究對象，通過有限元數(shù)值仿真分析機(jī)柜內(nèi)部不同安裝位置沖擊環(huán)境和對機(jī)柜不同結(jié)構(gòu)的計(jì)算，研究不同參數(shù)對機(jī)柜內(nèi)部沖擊環(huán)境的影響。

1 機(jī)柜仿真模型分析

某艦載整流機(jī)柜，由支架、橫板和外板通過螺栓連接、焊接等方式連接而成。如圖1所示，主體框架板厚為2.5 mm，中間橫板板厚為1.5 mm，外板板厚1 mm。機(jī)柜內(nèi)部元件主要均勻分布于第一層和第二層橫板。機(jī)柜幾何模型采用殼單元建模，主體框架和各板均采用四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主體框架單元尺寸為30 mm×30 mm，各板單元尺寸為60 mm×60 mm，機(jī)柜施加譜速度3.2 m/s沖擊，第二層橫板中點(diǎn)加速度峰值為380g。細(xì)化網(wǎng)格，各板單元尺寸為30 mm×30 mm，第二層橫板中點(diǎn)加速度峰值為392g。進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，使各板單元尺寸為15 mm×15 mm，第二層橫板中點(diǎn)加速度峰值不變，因此單元尺寸為30 mm×30 mm合適。

根據(jù)海軍工程大學(xué)試驗(yàn)，整流機(jī)柜加載譜速度為3.2 m/s的載荷時(shí)，開關(guān)斷路，影響系統(tǒng)正常工作。因此本文對譜速度為3.2 m/s的沖擊載荷下機(jī)柜內(nèi)部沖擊環(huán)境特征進(jìn)行考察。根據(jù)德國軍標(biāo)BV043-85，將設(shè)計(jì)沖擊譜轉(zhuǎn)化為波形為正負(fù)雙三角型波的時(shí)域曲線，如圖2所示。圖2中，a2=150 g，a2=-70 g，t2=0.001 28 s，t3=0.003 2 s，t4=0.007 3 s，t5=0.010 057 s。

2 仿真結(jié)果分析

機(jī)柜受到?jīng)_擊作用是高速動(dòng)力學(xué)過程，涉及到復(fù)雜的接觸問題、材料退化以及材料失效問題，通過ABAQUS的顯性算法可有效模擬這一過程。

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，也是研究對象動(dòng)態(tài)特性的重要方法[8]。對電子機(jī)柜進(jìn)行模態(tài)分析可得到其結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，掌握動(dòng)態(tài)特性，找到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中的薄弱環(huán)節(jié)。

根據(jù)機(jī)柜的安裝方式，對機(jī)柜底端4個(gè)焊腳剛性固定進(jìn)行模態(tài)分析，取前50階固有頻率。模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

機(jī)柜結(jié)構(gòu)的高度比縱、橫向尺寸大得多，并且機(jī)柜具有多層橫板用以安放電子設(shè)備，因此機(jī)柜低階模態(tài)十分活躍。同時(shí)，主體框架的剛度比外板、橫板的剛度大很多，機(jī)柜的主要振型為外板、中間橫板的振動(dòng)，并且機(jī)柜各板的剛度相差不大，因此機(jī)柜的模態(tài)較為密集。機(jī)柜的前6階固有頻率和振型如表1所示。

表1 機(jī)柜前六階固有頻率

可以看出，機(jī)柜的薄弱區(qū)域?yàn)橥獍搴椭虚g橫板。作為主要放置電子設(shè)備的底板和中間橫板，主要振動(dòng)沿Z方向(垂向)，因此受到垂向沖擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的響應(yīng)，從而使內(nèi)部電子設(shè)備處于嚴(yán)峻的沖擊環(huán)境。

2.2 機(jī)柜沖擊環(huán)境分析

沖擊環(huán)境是指設(shè)備受到水下非接觸爆炸引起強(qiáng)沖擊時(shí)的基礎(chǔ)輸入，常用沖擊譜表示。沖擊譜是假想安裝在同一基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)或設(shè)備，在經(jīng)受同樣的瞬態(tài)基礎(chǔ)沖擊時(shí)一系列不同固有頻率的質(zhì)量彈簧線性振子的最大響應(yīng)幅值與其固有頻率的關(guān)系曲線。在工程應(yīng)用中，通常將沖擊當(dāng)成對結(jié)構(gòu)的激勵(lì)，用結(jié)構(gòu)響應(yīng)表達(dá)沖擊效果，用響應(yīng)的峰值確定沖擊的某些效應(yīng)[9]。因此需要將時(shí)域曲線轉(zhuǎn)化為沖擊響應(yīng)譜，然后對沖擊環(huán)境進(jìn)行分析[10]。

如圖4所示，在譜速度3.2 m/s的沖擊載荷作用下，機(jī)柜的應(yīng)力峰值在底部與甲板連接處，應(yīng)力峰值為149 MPa，沒有超過Q235鋼的屈服極限，機(jī)柜結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生損壞。從圖5可以看出，機(jī)柜各層橫板加速度響應(yīng)較高，達(dá)到411g以上，遠(yuǎn)大于沖擊輸入加速度峰值150 g，橫板上安裝的電子設(shè)備的沖擊環(huán)境嚴(yán)峻，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

對機(jī)柜進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，輸入譜速度為3.2 m/s的沖擊載荷，并且在機(jī)柜橫板、側(cè)板、沖擊平臺(tái)安裝16個(gè)加速度傳感器，如圖6所示。通過東華測試系統(tǒng)測得加速度時(shí)程曲線，將第一層橫板、第二層采集到的加速度時(shí)程曲線轉(zhuǎn)化為沖擊響應(yīng)譜，與仿真結(jié)果對比，如圖7所示。

從圖 7可看出，仿真和試驗(yàn)得到的兩層橫板的中點(diǎn)和端部的沖擊譜曲線基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值仿真方法的有效性。在局部的頻率范圍內(nèi)，仿真和試驗(yàn)得到的沖擊譜曲線有輕微區(qū)別，主要出現(xiàn)在橫板中點(diǎn)處。誤差原因?yàn)樵谟邢拊r(shí)對機(jī)柜結(jié)構(gòu)的簡化，如機(jī)柜各板和框架之間的螺栓連接簡化為剛性連接，使連接處無相對滑移，剛度增大。

各安裝位置沖擊響應(yīng)譜與輸入譜如圖8所示，機(jī)柜橫板各處沖擊譜在0～30 Hz頻帶，與輸入譜基本一致，橫板端部沖擊譜曲線在30～120 Hz，略大于輸入譜曲線。橫板中點(diǎn)沖擊譜曲線在30 Hz以后明顯高于輸入譜曲線。機(jī)柜內(nèi)部電子設(shè)備一般剛性約束，安裝頻率在100 Hz左右，電子設(shè)備在機(jī)柜內(nèi)部承受更危險(xiǎn)的沖擊環(huán)境。

機(jī)柜內(nèi)部不同位置的沖擊譜對比如圖9所示，橫板中點(diǎn)沖擊譜曲線在20 Hz以后始終高于其他安裝位置，說明橫板中點(diǎn)大于20 Hz頻段受局部振動(dòng)影響嚴(yán)重。側(cè)板的速度明顯低于其他的垂向譜，說明垂向的沖擊環(huán)境比橫向的沖擊環(huán)境更加嚴(yán)重。

根據(jù)仿真結(jié)果，機(jī)柜提供內(nèi)部電子設(shè)備沖擊環(huán)境，總體對輸入載荷有放大作用，分析沖擊環(huán)境的大小及其性能對提高機(jī)柜抗沖擊能力至關(guān)重要。不同安裝位置的沖擊環(huán)境差異很大，應(yīng)根據(jù)電子設(shè)備抗沖擊強(qiáng)弱和安裝頻率合理布置安裝位置。

3 機(jī)柜內(nèi)部沖擊環(huán)境影響因素分析

對于剛性安裝的電子設(shè)備，固有頻率在100 Hz左右[11]，該頻段機(jī)柜內(nèi)部電子設(shè)備經(jīng)歷更加危險(xiǎn)的沖擊環(huán)境。以主要安裝設(shè)備的第二層橫板為例，討論橫板厚度、橫板結(jié)構(gòu)形式兩個(gè)因素對機(jī)柜沖擊環(huán)境的影響。主要考察安裝位置為橫板段部(1號(hào)測點(diǎn))、距離端部1/4板長處(2號(hào)測點(diǎn))、板中點(diǎn)(3號(hào)測點(diǎn))(圖 10)。

3.1 橫板厚度對機(jī)柜內(nèi)部沖擊環(huán)境的影響

對于所考查的第二層橫板，增加橫板厚度能影響橫板各位置的沖擊環(huán)境。將橫板厚度從1.5 mm增加到2.5 mm，進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。3個(gè)測點(diǎn)的沖擊譜曲線與原模型的3個(gè)測點(diǎn)的沖擊譜曲線如圖11所示。增加橫板厚度后，在整個(gè)頻域內(nèi)，2號(hào)和3號(hào)測點(diǎn)的沖擊譜曲線與原模型相比有一定程度降低。2號(hào)測點(diǎn)和3號(hào)測點(diǎn)均處于橫板中心區(qū)域。當(dāng)機(jī)柜受到?jīng)_擊時(shí)，2號(hào)測點(diǎn)和3號(hào)測點(diǎn)受到機(jī)柜整體振動(dòng)、橫板整體振動(dòng)和橫板局部振動(dòng)共同作用，增加橫板剛度，抑制橫板的局部振動(dòng)，從而改善沖擊環(huán)境。而1號(hào)測點(diǎn)處為橫板端部，主要受到機(jī)柜整體振動(dòng)的影響，增加板厚1號(hào)測點(diǎn)處沖擊響應(yīng)基本不變，沖擊譜曲線與原模型基本一致。

3.2 橫板結(jié)構(gòu)形式對機(jī)柜內(nèi)部沖擊環(huán)境的影響

在橫板下方加筋能改變橫板的局部模態(tài)，同時(shí)減弱板上各點(diǎn)響應(yīng)受局部振動(dòng)的影響。在原模型第二層橫板下方安裝矩形梁，矩形梁由4塊厚度為2 mm，寬度為30 mm薄板焊接而成。3個(gè)測點(diǎn)的沖擊譜曲線與原模型的沖擊譜曲線如圖12所示。由于改變了橫板結(jié)構(gòu)形式，橫板各位置的沖擊譜曲線與原模型的沖擊譜曲線差別很大，但總體而言，2號(hào)和3號(hào)測點(diǎn)的沖擊譜曲線的譜值較原模型的有明顯降低。3號(hào)測點(diǎn)處直接安裝矩形梁，并且矩形梁與機(jī)柜框架相連，完全約束了此處的局部振動(dòng)，因此以機(jī)柜整體振動(dòng)為主，30～150 Hz頻段內(nèi)譜速度明顯降低，峰值降低到原模型的1/3，150～400 Hz的頻段內(nèi)兩種結(jié)構(gòu)形式的譜值基本一致。由于在3號(hào)測點(diǎn)處安裝矩形梁，2號(hào)測點(diǎn)的局部振動(dòng)受到約束，沖擊響應(yīng)降低，沖擊譜各頻率對應(yīng)譜值較原模型均有下降，且在0～60 Hz頻段降幅最明顯。1號(hào)測點(diǎn)在橫板端部，受機(jī)柜整體振動(dòng)和橫板整體振動(dòng)的影響，不受局部振動(dòng)的影響，但增加矩形梁改變了第二層橫板固有頻率，因此1號(hào)測點(diǎn)沖擊譜曲線有一定變化，但譜速度峰值基本不變。

4 結(jié)論

1) 機(jī)柜電子設(shè)備剛性安裝在機(jī)柜內(nèi)部，安裝頻率在100 Hz左右。機(jī)柜不同安裝位置在該頻段譜速度值均較大，艦載機(jī)柜受到強(qiáng)沖擊作用時(shí)，除了本身結(jié)構(gòu)失效，還會(huì)使內(nèi)部電子設(shè)備處于更嚴(yán)峻的沖擊環(huán)境，導(dǎo)致內(nèi)部電子設(shè)備發(fā)生功能性失效。

2) 機(jī)柜不同位置給電子設(shè)備提供了不同的沖擊環(huán)境。橫板中點(diǎn)沖擊環(huán)境最惡劣，在整個(gè)頻段譜值都高于其他安裝位置，應(yīng)該布置抗沖擊能力最強(qiáng)的設(shè)備；側(cè)板端部最安全，機(jī)柜內(nèi)部電子設(shè)備可根據(jù)安裝頻率以及抗沖擊能力強(qiáng)弱合理布置。

3) 增加橫板厚度能一定程度減小橫板各安裝位置沖擊譜譜值。改變橫板結(jié)構(gòu)形式能有效改變橫板各測點(diǎn)的沖擊環(huán)境，例如加筋可抑制板的局部振動(dòng)，改善沖擊環(huán)境。