某彈載電源單元隨機(jī)振動分析

胡文超，毛麗娜，張 池

(合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230009)

0 引言

導(dǎo)彈及航天技術(shù)是當(dāng)今國防發(fā)展中重要的技術(shù)領(lǐng)域之一，隨著導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)引頭也在向小型化、輕量化、精密化方向發(fā)展，同時對結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高及更全面的要求[1]。根據(jù)對電子設(shè)備故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由振動和沖擊引起的電子系統(tǒng)失效的比例高達(dá)27%[2]。電源單元作為導(dǎo)引頭雷達(dá)設(shè)備的供電設(shè)備，其可靠性至關(guān)重要。為了保證電源單元的可靠性，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮減研發(fā)經(jīng)費(fèi)及周期，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時通過有限元法對電源單元進(jìn)行隨機(jī)振動分析，校核其結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，驗(yàn)證其可靠性。

1 電源單元構(gòu)成

電源單元如圖1所示，由于導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)形式的限制，電源單元結(jié)構(gòu)形式為“H”型，它主要由左側(cè)殼體、右側(cè)殼體、左側(cè)蓋板、右側(cè)蓋板、轉(zhuǎn)接盒、擋板、輸入電連接器、輸出電連接器以及印制板等構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，它通過底部4-Φ6.5以及8-Φ4.5孔進(jìn)行固定，且在電源單元中部安裝重量約為7.2 kg的機(jī)箱，機(jī)箱通過減振器與電源單元連接。

圖1 電源單元構(gòu)成

2 有限元模型

有限元分析的步驟一般包含前處理(建立有限元模型)、生成并求解有限元模型的方程組、提取結(jié)果。有限元模型一般包含離散化幾何模型、材料參數(shù)、載荷及邊界條件。

2.1 離散化幾何模型

離散化幾何模型就是將連續(xù)的幾何模型離散成有限個單元，并在每一個單元中設(shè)置節(jié)點(diǎn)，從而將連續(xù)的幾何體看作僅在節(jié)點(diǎn)處相連接的一組單元和節(jié)點(diǎn)的集合(網(wǎng)格)，從而將連續(xù)域中無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中有限自由度問題。離散化程度越高，節(jié)點(diǎn)數(shù)量及單元數(shù)量越多，計(jì)算精度越高，對計(jì)算機(jī)的需求越高，計(jì)算時間越長。因此在進(jìn)行離散時需同時兼顧計(jì)算精度與計(jì)算量，通常在導(dǎo)入CAD模型時對模型進(jìn)行必要的簡化。針對本文中電源單元，主要進(jìn)行以下簡化：

(1)刪除連接器焊針、螺紋孔、倒角等不影響結(jié)構(gòu)的特征。

(2)由于機(jī)箱通過隔振器與電源單元連接，因此將機(jī)箱簡化成質(zhì)量點(diǎn)加在電源單元固定點(diǎn)上。

(3)螺釘連接采用梁單元處理。

(4)印制板上部分器件通過等效質(zhì)量法處理。

電源單元結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元建模，采用Hex Dominant網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示，劃分完成后單元數(shù)量為654 902，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2 967 815。

電源單元實(shí)際安裝坐標(biāo)系如圖2所示，x方向?yàn)榕c轉(zhuǎn)接盒垂直的方向，y方向?yàn)閮蓚€輸入連接器連線的方向，z軸通過右手定則確定。

圖2 電源單元有限元模型及坐標(biāo)系

2.2 材料參數(shù)

電源單元所有殼體及蓋板材料為鋁板2A12-T4，印制板材料采用覆銅環(huán)氧玻璃布板，各材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.3 邊界條件及載荷條件

電源單元通過底部4-Φ6.5以及8-Φ4.5孔進(jìn)行固定，且在電源單元中部安裝重量約為7.2 kg的機(jī)箱，機(jī)箱通過減振器與電源單元連接，三方向隨機(jī)振動載荷見表2，控制點(diǎn)為設(shè)備安裝處，每方向6 min。

表2 電源單元隨機(jī)振動載荷

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是所有振動分析的基礎(chǔ)[3]，通過模態(tài)分析可以評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)，為新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)，可以對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障進(jìn)行預(yù)報(bào)及診斷等。通過對電源單元底部固定孔進(jìn)行固定約束，進(jìn)行模態(tài)分析，得出電源單元的基頻為304.01 Hz，電源單元前6階模態(tài)振型如圖3所示。

圖3 電源單元前6階模態(tài)振型

4 隨機(jī)振動分析

對電源單元進(jìn)行隨機(jī)振動分析，設(shè)置阻尼比為0.03，隨機(jī)振動條件見表2，得出殼體的最大3σ應(yīng)力及3σ變形云圖如圖4所示。

圖4 隨機(jī)振動載荷下殼體最大3σ應(yīng)力及3σ變形云圖

通過分析可知，在隨機(jī)振動載荷下，電源單元?dú)んw的最大3σ應(yīng)力為172.72 MPa，最大3σ變形為0.31 mm。

根據(jù)GJB1544-1992《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈強(qiáng)度與剛度通用規(guī)范》中關(guān)于安全系數(shù)的規(guī)定：

(1)對于掛飛、投放、發(fā)射、彈射和初始的自主飛行狀態(tài)，取1.50。

(2)除(1)所指的初始自主飛行狀態(tài)以外的自主飛行狀態(tài)，取1.25。

(3)對于運(yùn)輸、裝卸和其他非飛行狀態(tài)，取1.50。

由于本文中電源單元需要經(jīng)過運(yùn)輸、掛飛、發(fā)射等狀態(tài)，因此安全系數(shù)取1.50。根據(jù)仿真分析的結(jié)構(gòu)計(jì)算電源單元?dú)んw安全系數(shù)為：

通過計(jì)算，電源單元?dú)んw安全系數(shù)為1.59，滿足彈載產(chǎn)品使用環(huán)境要求。最大3σ變形為0.31 mm，為電源單元頂部整體的變形，對內(nèi)部影響較小，剛度滿足彈載產(chǎn)品使用環(huán)境的要求。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了彈載電源單元的有限元仿真分析過程，得出了電源單元在隨機(jī)振動載荷條件下的響應(yīng)值，對電源單元的剛強(qiáng)度進(jìn)行了校核，結(jié)果證明電源單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度及剛度滿足彈載產(chǎn)品使用環(huán)境要求。