某機(jī)載通信電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

向以鑫，張學(xué)新

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，成都 610041）

0 引言

機(jī)載通信電子設(shè)備是飛機(jī)通信系統(tǒng)的重要組成部分，在飛機(jī)航行或作戰(zhàn)中始終處于工作狀態(tài)，承受著各種嚴(yán)酷的機(jī)械環(huán)境應(yīng)力，如炮擊振動、沖擊等，要求設(shè)備具有較高的剛強(qiáng)度，如果設(shè)備自身的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力差，在使用過程中就會因振動和沖擊作用產(chǎn)生故障[1]。因此在對設(shè)備設(shè)計時，須對其環(huán)境進(jìn)行分析，確定要承受的機(jī)械環(huán)境應(yīng)力，建立力學(xué)模型，對設(shè)備在炮擊振動、耐久振動及功能沖擊工況下的受力情況進(jìn)行分析，得到對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)，以此判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，指導(dǎo)裝備的研制和試驗的開展[2]。

1 設(shè)計過程

該機(jī)載通信電子設(shè)備為后期加裝設(shè)備，需要加裝在飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)，安裝空間狹小，外形尺寸及質(zhì)量均受到嚴(yán)格限制，多次與用戶溝通確定了設(shè)備最大外形、整機(jī)質(zhì)量及安裝位置，明確設(shè)備按表1的機(jī)械應(yīng)力要求進(jìn)行設(shè)計和試驗，具體要求如表1所示。

表1 環(huán)境應(yīng)力要求

根據(jù)設(shè)備功能需求，結(jié)合環(huán)境應(yīng)力要求，設(shè)備采用功能主機(jī)+減震安裝架的結(jié)構(gòu)形式。如圖1所示，功能主機(jī)通過A型鎖緊器鎖定在減震安裝架上，實現(xiàn)主機(jī)的快速安裝及更換。主機(jī)對外接口均布置于前面板上，內(nèi)部的3個功能插件通過楔形鎖緊條鎖緊到機(jī)箱上，如圖2所示，功能插件與背板之間通過板間連接器硬連接，便于插件的安裝、更換及維修。

圖1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式

圖2 主機(jī)內(nèi)部組成圖

2 試驗條件裁剪

按照相同指標(biāo)類別的較大值進(jìn)行分解，功能振動與耐久振動按耐久振動的量值進(jìn)行仿真分析，加速度與功能沖擊按功能沖擊的加速度值進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)表1的機(jī)械環(huán)境應(yīng)力要求，設(shè)計時，可以按照去掉減振安裝架的機(jī)械環(huán)境應(yīng)力值，建立力學(xué)模型，如圖3所示，進(jìn)行應(yīng)力仿真，具體應(yīng)力仿真條件為：1）耐久振動仿真量值。低頻段為20～300 Hz，功率譜密度為0.032 g2/Hz；高頻段為300～1000 Hz，功率譜密度為0.034 g2/Hz（量值降至30%），高頻段留有20%的安全余量，設(shè)備更安全。2）炮擊振動仿真量值（降至30%）。T1=0.013，T2=0.107，T3=0.297，P1=0.059，P2=0.073，P3=0.088，P4=0.106，留有20%的安全余量，設(shè)備更安全。3）功能沖擊仿真量值。后峰鋸齒波，加速度為20g，響應(yīng)時間為11 ms。

圖3 力學(xué)模型及參考坐標(biāo)系

3 有限元模型的建立

本文采用ANSYS Workbench軟件對設(shè)備機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。

1）模型簡化。仿真過程中需要對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，忽略印制板上一些位置不關(guān)鍵且質(zhì)量小的阻容器件，忽略零件上的圓角、倒角等特征，主要考慮關(guān)鍵部位和關(guān)鍵器件。螺釘簡化為圓柱面，本案例仿真過程中忽略預(yù)緊力對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及振動模態(tài)的影響，僅考慮螺栓本身可靠連接時對設(shè)備結(jié)構(gòu)的作用[3]。

2）材料賦值。仿真模型中，減震安裝架的安裝托盤、定位銷、鎖緊器材料為不銹鋼，其余零件材料為鋁合金5A06。主機(jī)機(jī)箱、插件支撐件、鎖緊條材料為鋁合金5A06，掛鉤材料為不銹鋼，印制電路板材料為FR-4，材料的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 主要材料參數(shù)表

3）施加約束。減震安裝架上的定位銷焊接在安裝托盤上，A型鎖緊器、安裝件1、安裝件2等通過螺釘連接在安裝托盤上。主機(jī)前、后面板通過螺釘安裝在主機(jī)箱體上，內(nèi)部功能插件通過楔形鎖緊條鎖緊在主機(jī)箱體上，背板通過螺釘安裝在主機(jī)箱體上，掛鉤通過螺釘連接在前面板上，插件鎖緊條通過螺釘連接在插件支撐件上，插件印制板通過螺釘連接在插件支撐件上，插件印制板與背板之間通過連接器連接。

4）劃分網(wǎng)格。仿真模型有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)為1 203 695個，單元數(shù)為560 634個，如圖4所示。

圖4 設(shè)備有限元網(wǎng)格模型

5）施加載荷。設(shè)備炮擊振動、耐久振動及功能沖擊試驗譜如圖5～圖7所示，有限元模型分別按各自試驗譜曲線和指標(biāo)分解的量值施加邊界載荷。

圖5 耐久振動試驗譜線圖

圖6 炮擊振動試驗譜線圖

圖7 功能沖擊試驗譜

4 力學(xué)仿真

4.1 模態(tài)分析

譜線頻率最大值為2000 Hz，因此仿真分析該設(shè)備低于2000 Hz的固有頻率值，本文采用振型疊加法，使用Lanczos法提取特征值[4]，計算設(shè)備的固有頻率及相應(yīng)的振型，計算結(jié)果如表3所示。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

4.2 耐久振動分析

以模態(tài)仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，隨機(jī)振動仿真采用PSD方法進(jìn)行[5]。

根據(jù)指標(biāo)分解中的耐久振動量值，結(jié)合耐久振動試驗譜曲線，對設(shè)備進(jìn)行3個方向（X、Y、Z）的隨機(jī)振動有限元仿真分析，經(jīng)過對仿真結(jié)果分析比較，設(shè)備在Y向結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)最大，仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 Y向耐久振動3σ應(yīng)力云圖

圖9 Y向耐久振動3σ位移云圖

由耐久振動有限元仿真結(jié)果可知，設(shè)備在Y向3σ（概率為99.73%）應(yīng)力值最大達(dá)102.67 MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在安裝件1與減震器連接的螺桿位置，低于4.6級螺栓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力值（245 MPa）。

設(shè)備在Y向3σ位移最大值達(dá)0.16 mm，最大位移值出現(xiàn)在功能插件1的PCB上，整機(jī)和PCB上的最大形變均小于0.5 mm，小形變不會引起結(jié)構(gòu)件及PCB損傷、破壞。加上仿真量值比實際值高20%，可以判斷，設(shè)備最薄弱環(huán)節(jié)在此振動環(huán)境下是安全可靠的。

4.3 炮擊振動分析

以模態(tài)仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，采用PSD方法進(jìn)行隨機(jī)振動仿真[5]。

根據(jù)指標(biāo)分解中的炮擊振動量值，結(jié)合炮擊振動試驗譜曲線，對設(shè)備進(jìn)行3個方向（X、Y、Z）的隨機(jī)振動有限元仿真分析，經(jīng)過對仿真結(jié)果分析比較，設(shè)備在Y向結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)最大，仿真結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 Y向炮擊振動3σ應(yīng)力云圖

圖11 Y向炮擊振動3σ位移云圖

圖12 螺釘、螺栓等Y向炮擊振動3σ應(yīng)力云圖

由炮擊振動有限元仿真結(jié)果可知，設(shè)備在Y向3σ（概率為99.73%）應(yīng)力值最大達(dá)213.44 MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在安裝件1與減震器連接的螺桿位置，低于4.6級螺栓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力值245 MPa，主要零部件對應(yīng)的3σ應(yīng)力值如表4所示。

表4 炮擊振動主要零部件3σ應(yīng)力值

設(shè)備在Y向3σ位移最大達(dá)0.33 mm，最大位移值出現(xiàn)在功能插件1的PCB上，整機(jī)和PCB 上的最大形變均小于0.5 mm，小形變不會引起結(jié)構(gòu)件及PCB損傷、破壞。加上仿真量值比實際值高20%，可以判斷設(shè)備最薄弱環(huán)節(jié)在此振動環(huán)境下是安全可靠的。

4.4 功能沖擊分析

根據(jù)沖擊指標(biāo)和沖擊試驗譜曲線，對設(shè)備進(jìn)行3個軸向、6個方向的瞬態(tài)動力學(xué)有限元仿真分析。經(jīng)過對仿真結(jié)果分析比較，設(shè)備在+Y向結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)最大，仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 +Y向沖擊應(yīng)力云圖

圖14 +Y向沖擊位移云圖

由沖擊有限元仿真結(jié)果可知，設(shè)備在Y方向上結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)最大，應(yīng)力值為26.45 MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在后面板與主機(jī)箱體連接螺釘位置，低于4.6級螺栓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力值（245 MPa）；設(shè)備在Y向位移最大為3.7×10-3mm，最大位移值出現(xiàn)在功能插件1的PCB上，整機(jī)和PCB上的最大形變均小于0.5 mm，小形變不會引起結(jié)構(gòu)件及PCB損傷、破壞。可以判斷設(shè)備最薄弱環(huán)節(jié)在此沖擊環(huán)境下是安全可靠的。

5 試驗驗證

由耐久振動、炮擊振動及功能沖擊的計算結(jié)果可知，設(shè)備在Y方向上的炮擊振動應(yīng)力值最大，結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度在該工況下安全系數(shù)最低為1.15×1.2=1.38，因此需重點驗證設(shè)備在Y方向炮擊振動條件下的抗振能力，結(jié)合試驗大綱要求，對設(shè)備開展炮擊振動試驗驗證。

圖15 設(shè)備Y向炮擊振動試驗安裝狀態(tài)圖

圖16 設(shè)備Y向炮擊振動試驗曲線

試驗結(jié)果：設(shè)備順利地通過了Y方向炮擊振動試驗驗證，并一次性通過了所有試驗項目驗證，產(chǎn)品性能設(shè)計達(dá)到了預(yù)期要求。

6 結(jié)語

本文以某機(jī)載通信電子設(shè)備為對象，為應(yīng)對嚴(yán)酷的環(huán)境指標(biāo)需求，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，利用ANSYS Workbench軟件對設(shè)備炮擊振動、耐久振動及功能沖擊指標(biāo)進(jìn)行分析評估，確認(rèn)結(jié)構(gòu)方案的可行性，并通過環(huán)境試驗驗證產(chǎn)品設(shè)計的合理性。本文產(chǎn)品設(shè)計過程表明，機(jī)械應(yīng)力環(huán)境指標(biāo)分解合理，模型方案簡化有效，設(shè)備結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取值合理，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研制成本，提高產(chǎn)品設(shè)計效率。