基于抗振設計的機載設備模塊有限元分析

岳超 梁國

（河北遠東通信系統工程有限公司河北石家莊050081）

1 引言

對機載電子設備來說，振動環境常常會導致電子元器件的失效或損失、電子線路的短路或斷路和接插件松動甚至脫離等環境效應。在振動所引起的機械力作用下，當元器件的固有頻率與振動頻率一致時，會引起共振[1]，因此機載設備的抗振動設計一直是結構設計的重點和難點。如何在保證結構的可靠性的同時，盡量降低設備的重量，這是結構工程師追求的目標。文中首先討論了電子設備的有限元建模方法，然后利用ANSYS有限元分析軟件進行模態分析和隨機振動響應分析，得到等效應力云圖，較系統和全面的提出抗振設計的方法。

2 軟件建模

設備采用模塊組合的結構形式，模塊與飛機的設備安裝面之間采用12個M4的螺釘進行連接，模塊結構形式對設備和印制板都有較好的剛度和強度。模塊考慮采用的結構形式如圖1所示，模塊的總質量及尺寸如表1和表2所示。

表1 設備質量及尺寸

圖1 設備外形示意圖

表2 各模塊尺寸重量清單

3 各模塊結構設計

3.1 引用標準

本設備屬于星載設備，在結構設計過程中，主要參考和引用標準為：GB/T13186-1991《機載多普勒導航系統通用技術條件》

3.2 部分模塊結構設計

模塊的結構直接影響整個系統的可靠性，因此模塊的結構設計是工作重點之一。

3.2.1 電路板組件

設備中電路板組件直接固定在屏蔽盒上，為提高電路板抗力學環境能力，除了屏蔽盒四周的安裝框架外，還應盡可能多的設計支撐凸臺，用于增加電路板組件剛度及增加導熱途徑。

3.2.2電源及時鐘單元

電源及時鐘單元中的模塊重量及功耗較大，將其安裝在橫截面為15 mm×5 mm的梁上，保證足夠的強度和接觸面積。

3.2.3 模擬模塊

模擬模塊的功耗較小，且模塊重量相對較低，主要需要考慮的是其電磁兼容性。

3.2.4 其他

考慮抗力學環境及抗輻照要求，結構主體厚度設計為2 mm；對于抗輻照能力差的組件或者是重要的組件，除了設備結構2 mm的屏蔽外，還采取局部防護措施，如加鉭、鈮和鉛片進行局部防護加固。

4 結構力學分析

4.1 模態分析

4.1.1 模態分析理論

模態分析的核心是確定描述結構系統動態特性的參數，對于一個N自由度系統，其運動微分方程為：

式中：M-質量矩陣；C-阻尼矩陣；K-剛度矩陣；z-位移向量；F(t)-作用力向量。根據振動理論，結構的低階模態對振動響應比較大[2]，高階模態可以忽略不計。在分析軟件中設定約束后進行分析，可得設備的前5階的固有頻率及模態振型。

4.1.2 模態響應分析

⑴簡化模型

對設備結構進行力學分析時，由于計算機性能限制和網格劃分要求，需要對其進行簡化處理，去掉對力學性能影響不大的部件和結構[3]。

⑵材料選擇材料的選擇也是重點之一，選擇合適材料可以大大提高設備強度，同時降低設備重量。根據工程經驗，所有模塊選擇硬鋁2A12，此材料具有強度高、密度低和加工性好等特點，其主要特性如表3所示。

表3 材料特性

⑶模態響應分析

本模型采用Modal分析中的Bolck Lanczos法求解設備的有限元模型的模態解，計算并擴展了對設備振動其主要作用的前4階模態。根據振動理論，結構的低階模態對振動響應比較大，高階模態可以忽略不計[4]。在分析軟件中設定約束后進行分析，可得設備的前4階的頻率及前4階模態振型如表4、圖2、圖3、圖4和圖5所示。

表4 前三階模態的對應頻率

圖2 第一階模態振型

圖3 第二階模態振型

圖4 第四階模態振型

圖5 第三階模態振型

⑷結論

通過模態分析，初步分析設備的固有頻率為311.42 Hz，大于100 Hz，能滿足設備的環境適應性要求。

4.2 隨機振動分析

4.2.1 隨機振動分析理論

隨機振動試驗是用來模擬航天器由噪聲和發動機推力脈動環境引起的振動響應，其被廣泛的應用于航天器的力學環境試驗中[5]，它不僅能檢驗產品經受環境的能力而且也是對產品進行應力篩選的有效手段。隨機振動在同一時刻施加所有的振動頻率分量能同時激起系統的不同振型，可以體現各個振型之間的相互影響。

在模態分析中，通過坐標變換，將多自由度系統進行解耦，獲得坐標系下的頻率響應函數，然后才有模態疊加的方法獲得原坐標下的頻率響應函數[6]。假設基礎位移激勵為：響應位移為：

對于單點基礎位移激勵的多自由度線性系統，其動力學方程為[5]：

4.2.2 隨機振動分析

設備約束方式同模態分析，功率譜密度曲線譜值為0.04g2/Hz，頻率范圍為20 Hz～1 200 Hz，加載方向沿X方向。

4.2.3 結論

通過仿真計算，得到等效應力云圖如圖6所示，可知該模型最大3σ等效應力發生在模塊與飛機安裝面的連接處，最大應力為111.7 MPa，低于材料的許用應力，說明了在隨機振動下，材料所受的應力超過111.7 MPa的概率為0.3%。

5 結束語

利用SolidWorks建模軟件進行三維建模，而后通過ANSYS有限元分析軟件進行模態分析和隨機振動分析，由仿真結果可知該設備結構在振動條件下所受應力遠小于材料的許用應力，從而為結構設計提供了有力數據支撐，有效的指導結構設計工作，同時提高了設備的可靠性。

[1]范文杰.星載電子設備寬頻隨機振動響應分析[J].電子機械工程,2010(4):5-7.

[2]褚亦清.非線性振動分析[M].北京:北京理工大學出版社,1996.

[3]朱振榮,刑惠斌,蔣立冬.基于ANsys人字齒彎曲強度分析計算方法[J].艦船科學技術,2012(5):51-53.

[4]方 同.工程隨機振動[M].北京:國防工業出版社,1995.

[5]胡志強.隨機振動試驗應用技術[M].北京:中國計量出版社,1996.

[6]龔 波,李翔龍,宋 帥.基于ANSYS的氣缸結構優化設計[J].煤礦機械,2012(5):31-32.