某機載電子設備環境適應性設計與驗證

邸蘭萍

（中國航空計算技術研究所，西安710068）

0 引 言

機載電子設備一般由精密的電子部件和較復雜的機械結構等組成，主要安裝在設備倉和發動機上。機載惡劣環境條件極容易對設備造成損害。根據經驗，電子設備大部分故障是由于電子元器件受到惡劣的振動和沖擊造成的。電子設備在振動過程中失效的主要原因［1］：一是電子設備在某激勵下由于共振導致模塊印制板上產生較大的振動加速度或沖擊加速度超過了電子元器件所能承受的加速度量值；二是電子設備在振動過程中由于加速度產生的結構應力超過了結構材料所能承受的應力值；三是由于頻繁、長期的動載荷振動導致電子設備結構或器件管腳損壞。因此必須對電子設備進行可靠性設計與驗證。

本文對某典型電子設備通過有限元仿真討論電子設備整機的剛度和強度，以得到相關重要性能參數。然后，通過分析討論設備所能承受載荷并對其進行適應性設計和驗證。

1 振動環境

假設該電子設備安裝在螺漿式飛機上。根據文獻［2］，其振動圖譜如圖1 所示，圖中L1根據安裝位置的不同取值不同。

圖1 振動圖譜

2 設備結構強度設計

通常由于機載電子設備的振動圖譜都是寬帶隨機振動，所以要想使得設備的頻率避開共振是很困難的。在嚴酷的環境條件下，一方面可通過提高系統本身的剛性。首先考慮提高系統各元件剛度。其次，由于印制板上器件非常緊湊，在振動過程中可能會發生耦合現象，大幅降低系統的抗振性能，因此對于容易松動的器件采用點膠或其他加固方式固定在印制板上。另一方面則可通過降低激勵傳遞率，衰減激勵，以降低設備振動過程中的變形。

本文研究的電子設備結構外形如圖2 所示，箱體是電路印制板承力部件，通過4 個彎角件安裝于飛機上。為了提高設備的剛度，箱體選用高強度的鋁合金材料，彎角件采用不銹鋼材料，應力集中位置加工圓角。箱體內印制板采用加強筋等加固方式。

圖2 電子設備三維模型圖

圖3 電子設備有限元模型

3 設備隨機振動分析

3.1 建立有限元模型

按照通用的精簡原則，在CAD 建模軟件中對零部件進行簡化并裝配后，以通用的三維模型數據交換格式導入到Patran 軟件中，在Patran 中對導入的CAD 模型使用十節點四面體單元進行網格劃分。通過控制網格劃分器的相關參數來保證模型內外網格密度的均勻性。最終得到有限元模型如圖3 所示，共351 560 個節點，共187 984個四面體單元。

3.2 邊界條件

根據設備實際安裝方式，對箱體結構底部4個安裝孔施加約束和激勵。這里考慮對設備剛性安裝方式仿真。

設備材料屬性［3］如表1 所示。

表1 結構材料屬性

3.3 模態分析

模態分析用于確定設計結構固有頻率和振型。通過模態分析可以初步對整個結構的剛性的好壞進行評估。通 過 Patran 中SOL103 對有限元進行模態分析，結構前10 階模態如表2 所示。

從模態仿真結果可以得知整個設備第1～9 階模態振型主要是模塊印制板的彎曲振動；第10 階固有頻率為969.28Hz，振型為機箱和模塊整體的彎曲振動。從模態頻率可以看出整機設備的剛性較高，整機結構具有很好的抗變形能力。

表2 設備前10 階模態頻率

3.4 隨機振動響應分析

在計算得到系統的模態后，對系統施加載荷，通過模態法進行分析，得到指定頻率范圍內的響應。并對模型施加圖1 所示隨機振動激勵譜進行隨機振動分析，得到系統在垂直方向（垂直于印制板方向）設備的加速度分布圖和設備上某幾點加速度響應曲線如圖4 所示。圖中點429 947、437 758、452 048、437 779 分別是機箱安裝孔、印制板中心、印制板前端、機箱頂部，加速度響應均方根值（RMS）分別是13.69g、37.91g、80.34g、34.98g。

圖4 設備上加速度功率譜密度響應

從圖4 可以看出，機箱和印制板在各沖擊點位置都有能量放大現象，并且印制板上加速度量值都比較大，所以必須增加減振措施。

3.5 隨機振動動應力分析和驗證

通常隨機振動應力服從高斯分布。因此機箱的強度應該滿足3σmax＜σ0.2（屈服極限），且3σmax＜σ-1（疲勞極限）。該設備垂直方向隨機振動的1σVonMises 應力云圖如圖5 所示。

圖5 設備1σVonMises 應力云圖

圖中應力最大點位于安裝孔附近位置。該點的3σmaxVonMises 應力值為2.7 MPa，箱體采用的材料2A12的σ0.2=290MPa，σ-1=137 MPa。可見該機箱結構能夠滿足動強度要求。

4 環境適應性設計

通過上述隨機振動響應分析，整機需增加減振措施。為確定減振需求，首先應該要求滿足強度要求，即減振后設備的最大應力應該小于屈服極限σ0.2和疲勞極限σ-1。其次，應該使箱體內部加速度響應不超出設備能夠承受的范圍。由此確定隨機振動傳遞率η。

式中：η 為振動傳遞率；D 為阻尼比；γ 為頻率比。由式（1）可得到如圖6 所示振動傳遞率曲線。可以看出，當頻率比大于η 時，可達到減振目的。

圖6 振動傳遞率

為滿足設計，假定設備印制板最大響應不超過9g，那么減振系統傳遞率應該滿足η=0.65。由圖6 可知為滿足η≤0.65 的設計要求，應使γ 為頻率比＞2，由圖1 可知激勵最小頻率為15 Hz，那么減振器的固有頻率應該小于30 Hz。

根據以上對設備和減振系統的振動應力、振動加速度、傳遞率和固有頻率分析，可知該設備的結構強度能夠滿足要求，但印制板上的加速度均方根值較大，為了使印制板上加速度均方根值降到合理范圍，減振器的固有頻率應當盡量小于30 Hz，阻尼比在許用范圍內盡可能大，同時具備變阻尼性能。還要考慮減振器的承重位置、重量和環境適應性等要求。

5 結 論

本文首先通過有限元對某電子設備進行隨機振動響應分析，分析結構強度和內部電路模塊是否能滿足振動要求，為適應環境要求需對整機增加減振措施。其次，通過討論設備所能承受環境載荷來進行減振設計并指導減振系統的選取，以提高設備適應環境的能力。本文提供了一種采用有限元方法分析機載電子設備環境適應性能力，再通過減振系統的設計方法來指導電子設備環境適應性設計的思路和方法。

［1］ 周旭.電子設備結構與工藝［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［2］ GJB 150-1986 軍用設備環境試驗方法［S］.

［3］ 劉治虎，郭建平.某機載電子設備結構隨機振動分析［J］.航空計算技術，2011，41（4）：91-93.

［4］ 朱石堅，樓京俊.振動理論與隔振技術［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［5］ Dave S.Vibration Analysis for Electronic Equipment［M］.Steinberg&Associates，2000.

［6］ Rao S S.機械振動［M］.李欣業，張明路，譯.北京：清華大學出版社，2009.