某機載電子吊艙抗振動設計

龐利娥 劉繼鵬 呂 洋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

某機載電子吊艙在實際工作過程中經常會受到載機發動機機械振動、噴氣噪聲、吊艙外部氣流擾動、飛機的飛行姿態以及起飛、著陸、滑行等因素產生的振動和沖擊[1]。這些振動和沖擊的機械環境對電子設備造成的危害主要有以下兩種:其一，結構和工藝性破壞，如結構件的疲勞、斷裂、磨損，連接件的松動、分離等;其二，功能和性能性破壞，包括工作失靈、性能降低及超出容差范圍等[2]。

如果電子設備自身的抗振動、抗沖擊能力差，在使用過程中就會因上述振動、沖擊作用而產生故障，從而影響整個飛機的作戰性能。為了保障設備的可靠性，使其適應飛機的各種振動、沖擊環境，必須對其進行抗振動設計[1]。

2 設計與分析

某機載電子吊艙由發射及控制系統、環控系統、天線、艙體、前后向天線支架和天線罩等組成。拆掉天線罩和艙體頂板，某機載電子吊艙結構示意圖見圖1。

圖1 拆掉天線罩和艙體頂板，某機載電子吊艙結構示意圖

某機載電子吊艙總重量在37kg，外掛在飛機的右機翼上。該吊艙隨機振動頻率范圍10 Hz～500 Hz，總均方根加速度39.8 m/s2;沖擊波形為半正弦波，持續時間11ms，峰值加速度 150 m/s2。為了確保電子設備在這樣的環境條件下正常工作，進行抗振動、抗沖擊設計是非常必要的。

常用的抗振動設計主要采取如下兩個措施[3]:

a.加固設計。對電子設備結構上的薄弱環節進行加固，提高設備的固有頻率，保證電子設備的正常工作。

b.采用隔振緩沖系統。對電子設備進行隔振緩沖設計，使外部激勵通過隔振緩沖系統減弱后，傳遞給設備的實際作用力小于設備的許用值。

對于與天線指向精度有關的部分，如天線等不能采用隔振器或減振器進行隔振緩沖。在進行某機載電子吊艙結構設計時，因空間限制，前向天線支架直接固定在發射及控制系統的冷板上，環控系統的進風口與艙體間采用剛性連接。為此，發射及控制系統和環控系統均不能采用隔振器或減振器進行隔振緩沖。為了使某機載電子吊艙適應飛機的各種振動、沖擊環境，必須提高其自身的抗振動耐沖擊能力。

根據吊艙的形狀、重量及吊艙的工作環境，從艙體的結構剛性化設計和對分系統進行加固設計兩個方面考慮。

2.1 艙體的結構剛性化設計

艙體的剛性化設計就是為了提高艙體的結構剛度。艙體由艙體骨架及側板等組成。艙體結構示意圖見圖2。

圖2 艙體結構示意圖

艙體骨架是承受主要載荷的結構件，各分系統通過法蘭、支架與艙體骨架相連，所以艙體骨架結構剛度的好壞直接決定電子設備的抗振性能，為此需對其進行動力學特性分析。求解機械系統動力學響應最實用的方法為有限元分析法(FEM)。

2.1.1 艙體骨架的三維模型

艙體骨架的三維模型(實體造型Solidedge)見圖3。

圖3 艙體骨架的三維模型

2.1.2 有限元模型單元的選擇

有限元模型單元選擇殼單元。主要原因如下:

a.由于節點的六個自由度被約束，且殼體在厚度遠小于長度等尺寸的情況下，實體單元往往只能化出一層，這樣會造成用實體單元劃分的結構過剛，做出的模態要比實際高很多。

b.殼單元的厚度可優化。殼單元的厚度更改后有限元模型不用重新劃分，這對優化設計至關重要。

c.殼單元網格質量要遠遠高于實體單元質量。從圖3中可以看到，殼單元劃分網格無論是寬高比、翹曲、歪斜、雅克比比值、雅克比零點還是2D最大/最小角比值都遠遠高于實體單元。

d.殼單元的網格劃分是可控的，利用有限元分析軟件的模型校正工具，使得各個殼單元之間的連接處硬線相互關聯，網格密度可調，這在分析高階模態時是非常重要的。

2.1.3 螺釘連接模擬

整個艙體骨架由螺釘連接，螺釘單元在有限元模型中選擇CROD單元。

2.1.4 分析結果

10 Hz～500 Hz頻段的幾個典型艙體骨架固有模態低階振型見圖4。

圖4 艙體骨架固有模態低階振型

對該艙體骨架有限元模型進行隨機振動分析。在150Hz頻點時，承受載荷的艙體骨架支撐梁兩端應力最大。艙體骨架最大應力出現位置見圖5。

圖5 艙體骨架最大應力出現位置

綜上所述，利用動力學分析手段對該艙體骨架進行了力學分析，找到了該艙體骨架的薄弱點，設計時在支撐梁與端框間鉚接斜向加強筋，保證某機載吊艙順利通過振動、沖擊試驗。

2.2 分系統進行加固設計

對分系統進行加固設計的目的是為了提高分系統中薄弱環節的抗振動、抗沖擊能力，確保各分系統在經過艙體傳遞過來的振動、沖擊環境中正常工作。

如果分系統自身的抗振動、耐沖擊能力較差，振動和沖擊可能使其出現五種故障狀態:結構件損壞、緊固件斷裂、脫落或松動、元器件損壞、連接器脫落和線纜損壞。通過對影響分系統抗振動耐沖擊能力的因素進行全面系統的觀察和分析，找出其因果關系，因果圖見圖6。

圖6 因果圖

設計時，采用抗振動技術避免圖6所示故障的出現。

2.2.1 為避免結構件損壞采用的抗振動技術

A.發射及控制系統與環控系統進行一體化設計。冷板既是環控系統的換熱器，又是發射及控制系統各功能模塊的安裝板，故冷板設計必須綜合考慮剛度、強度要求和熱設計要求。為滿足剛度、強度要求，導熱用的散熱齒直接設計為冷板加強筋。

B.通過合理布局和采取小型化技術，提高設備抗振動和耐沖擊能力。舉例如下:

圖7 控制模塊結構示意圖

圖7為控制模塊結構示意圖。從圖7可看出:功分器與故障檢測電路間、開關放大組件與點頻源和隔離器間的電氣接口是通過插頭和插座直接相連，減少中間連接環節。

C.設計過渡圓角減小承力件根部的應力集中。懸臂梁式結構剛性較差，應避免使用[2]。若必須采用懸臂梁式結構，應采取相應措施，璧如設計加強筋。

圖8為前向天線安裝結構示意圖。從圖8可看出:天線支架固定端設計有加強筋，加強筋根部設計過渡圓角。

圖8 前向天線安裝結構示意圖

D.嚴格按工藝流程進行加工與裝配。。

2.2.2 為避免緊固件斷裂、脫落或松動采用的抗振動技術

A.結構設計時，盡量使緊固件布局合理，緊固件的強度等級、數量、規格滿足設計要求，以免緊固件在振動和沖擊環境下斷裂。

B.在鋁合金等低強度工程材料上嵌入高強度、耐磨損的鋼絲螺套，防止由于振動和沖擊引起螺釘松動及提高螺釘連接時的連接強度。

C.若零件上自帶螺紋，連接時盡量選用頭部帶保險孔的圓柱頭螺釘，以便打保險絲進行防松。

渦輪冷卻器、電動活門和管路組件2間的連接螺釘選用頭部帶保險孔的圓柱頭螺釘(HB1-203-95)，螺釘擰緊后打保險進行了防松。渦輪冷卻器、電動活門和管路組件2間的連接見圖9。

圖9 渦輪冷卻器、電動活門和管路組件2間的連接

D.零件上自帶螺紋，且必須使用沉頭螺釘進行固定時，安裝后不拆卸的可帶環氧膠或導電膠裝配，需要拆卸的安裝時在螺釘上涂少量的螺紋鎖固膠。

E.零件上未帶螺紋(璧如薄壁)，且必須用螺母連接時，不常拆卸或安裝的選托板自鎖螺母;需經常拆卸或安裝的，用六角自鎖螺母。

2.2.3 為避免元器件損壞采用的抗振動技術

A.按環境條件要求，選用耐振動和抗沖擊的電子元器件。

B.在安裝元器件之前，最好知道它的耐振動和抗沖擊性能，安裝時應選擇最佳的方向，按有關規范規定的安裝方法進行元器件的固定和安裝。

C.把線纜和導管使用支架和纜帶固定在盒體或底板上，以免線纜和導管在振動和沖擊環境下產生的作用力使元器件焊點失效。

D.減短元器件的引線或管腳進行焊接，以提高其剛度。

E.印制板電路盡量采用表面貼裝元器件。不能表面貼裝的元器件盡可能臥裝，質量小于5g的元器件可用導熱硅膠固定，質量大于5g或引線直徑小于0.3mm的元器件，不允許僅靠引線支撐，必須用輔助的固定夾固定[4]。

F.采用新型高分子輕質材料(璧如硅橡膠)封裝薄弱元器件[2]，對在振動和沖擊環境下易損壞元器件進行保護。

G.印制板設計要有一定的剛度，避免印制板的柔性引起焊點失效。

2.2.4 為防止連接器脫落采用的抗振動技術

A.選用帶保險孔的電纜插頭，以便打保險絲進行防松。

B.選用帶鎖緊裝置連接器，防止在振動和沖擊環境下自行脫出。

2.2.5 為防止線纜損壞采用的抗振動技術A.將導線編扎在一起，并用線夾做分段固定。B.在較長的電纜中間設置電纜固定夾。

C.使用防波套，防止在振動和沖擊環境下線纜的磨損。

通過采取以上抗振動技術，保證某機載電子吊艙在振動和沖擊環境下能夠正常工作。

3 結束語

某機載電子吊艙在按照上述設計思路完成設計、加工后，順利通過各項振動、沖擊試驗。上機試飛也獲得成功。由此可見，在某機載電子吊艙結構設計中，采用上述抗振動設計方法可以使某機載電子吊艙具有很好的抗振動、抗沖擊能力，確保某機載電子吊艙在機載機械環境條件下正常工作。本文介紹的設計方法和采取的措施可用于其它機載產品設計中。

[1]李玉峰，秦志剛.某機載電子設備的抗振設計[J].電子機械工程，2007，(3):3 ～6.

[2]王茂.機載機柜的隔振設計[J].電訊技術，2007，(2):194 ～197.

[3]張亞峰.車載電子設備的抗振設計[J].電子機械工程，2003，(2):6 －8.

[4]生建友.機載電子設備的防振動抗沖擊設計[J].電子機械工程，1999，(2):45 －47.