某機載設備的動力學特性分析

韓姣皎 李鵬程 韓鐘劍

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，機載設備的設計趨于輕量化，設備結(jié)構(gòu)愈加復雜，引起的可靠性問題也隨之增多[1]。機載設備在使用過程中經(jīng)常會受到發(fā)動機、飛行姿態(tài)變化等因素引起的振動作用[2]。 振動會引起結(jié)構(gòu)疲勞損傷，當損傷積累到一定程度時，將出現(xiàn)振動疲勞破壞，導致結(jié)構(gòu)破壞[3]。因此，需對設備進行振動分析，確保設備結(jié)構(gòu)符合強度條件。 隨著有限單元方法的發(fā)展， 以計算機仿真作為主要手段， 為結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化提供依據(jù)已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。

1 有限元建模

1.1 某機載設備結(jié)構(gòu)設計

某機載設備結(jié)構(gòu)件由設備機箱、 側(cè)板等組成，如圖1 所示。 該設備安裝在氣密艙內(nèi)左側(cè)設備架上， 通過前緊定裝置和后緊定裝置進行固定。 圖1中機箱側(cè)面的面內(nèi)凸起為布置在機箱側(cè)面的散熱臺，設備內(nèi)的電路板與散熱臺間安裝了具有一定彈性的導熱墊片，通過熱傳導實現(xiàn)散熱，確保設備正常使用。

圖1 某機載設備結(jié)構(gòu)組成

1.2 建立有限元仿真模型

在實際仿真建模中，為合理化計算成本，采用忽略結(jié)構(gòu)上次要細節(jié)特征的方式，對某機載設備原模型進行簡化。 本文采用ANSYS Workbench 對該簡化模型進行分析，機箱、側(cè)板、把手均采用實體模型，并進行網(wǎng)格劃分，劃分后有限元模型如圖2 所示。

圖2 簡化后設備有限元模型

模型中，機箱、側(cè)板、把手等主要部件均采用鋁合金材料，模型內(nèi)連接采用接觸約束模擬，把手與機箱連接處采用固定約束。

2 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性[4]，與結(jié)構(gòu)所承受的外部載荷無關(guān)。通過模態(tài)分析獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，將結(jié)構(gòu)的固有頻率與工作頻率進行比較，如兩者較為接近，結(jié)構(gòu)在承受載荷時會產(chǎn)生共振，造成振幅增大，將縮短結(jié)構(gòu)使用壽命，影響其安全性。

采用Modal 計算方法對某機載設備進行模態(tài)分析。在分析過程中，對固定邊界施加固定約束，不再額外施加載荷。 理論上設備存在無窮階數(shù)的模態(tài)振型，但在實際分析中，由于低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)響應的影響較大，隨著階次的增加影響逐漸降低，因此一般選取較低階次進行模態(tài)分析。

本文選取前四階模態(tài)進行分析。 其中， 第一、二、四階固有頻率對應的振動均對機箱側(cè)面產(chǎn)生較大影響。 機箱側(cè)面的變形將引起導熱墊片壓縮量變化，增大散熱臺與電路板間的壓應力。 若變形過大，將導致電路板和散熱臺間的導熱墊片壓縮量過大，對電路板造成不可逆的影響，損害設備安全。 因此，需合理設計電路板與散熱臺的間隙并選擇適當?shù)膶釅|片。

3 隨機振動分析

隨機振動是真實環(huán)境下設備運輸和機載飛行過程中最常見的振動類型，具有非周期性和不可預測的特點。 其運動規(guī)律不能用確定函數(shù)表示，需用概率和統(tǒng)計的方法來描述。 對設備進行隨機振動分析時，本文采用加速度功率譜密度（PSD）形式施加載荷，分別沿X 軸、Y 軸和Z 軸對設備施加載荷， 加速度功率譜密度如圖3 所示， 其中第一階窄帶峰值為0.3 g2/Hz，其余窄帶峰值可計算求得。

圖3 某機載設備的隨機振動試驗條件

依據(jù)Steinberg 提出的三區(qū)間法對設備應力響應進行分析， 設備滿足強度條件的前提是3 σmax＜[σ0.2]且3 σmax＜[σ-1]，其中[σ0.2]和[σ-1]分別為材料的屈服極限許用應力和疲勞持久極限許用應力。 經(jīng)仿真分析可知，沿Z 軸施加載荷時產(chǎn)生的響應值最大，將決定設備是否滿足強度條件。 沿Z 軸的最大3σ 正應力值為52.573 MPa，設備部件材料為鋁合金，其[σ0.2]=155 MPa，[σ-1]=155 MPa，均大于Z 軸最大響應值，設備滿足強度條件且剩余強度系數(shù)約2.94，故設計較為合理。

4 結(jié)語

機載設備的力學環(huán)境復雜，振動將影響設備的安全和使用壽命。 通過建立簡化的設備三維有限元模型，利用模態(tài)分析和功率譜密度對設備進行動力學仿真分析，一方面進行設計校核，為后續(xù)試驗提供預示；同時定位結(jié)構(gòu)設計中的薄弱和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進行針對性的優(yōu)化設計，為機載設備結(jié)構(gòu)的輕量化實現(xiàn)提供技術(shù)途徑。