某機載電子設備機架隔振緩沖系統設計

朱蘭琴,楊文芳,李　雨

(中國電子科學研究院,北京　100041)

第一作者朱蘭琴女，工程師，1965年生

某機載電子設備機架隔振緩沖系統設計

朱蘭琴,楊文芳,李雨

(中國電子科學研究院,北京100041)

摘要：為提高機載電子設備的機械環境適應能力，對某機載電子設備機架的隔振緩沖系統設計進行研究。從隔振緩沖系統的基礎理論出發，結合機架的實際要求目標進行仿真分析，提出一套將理論計算、仿真分析和試驗驗證等先進技術相結合的隔振緩沖系統設計方法和流程。經用某機架的試驗驗證，表明方法和流程合理，達到了設計目標，并節省了設計的時間和成本。可為類似機架在其它動態環境中應用時的設計作參考。

關鍵詞：電子設備機架;機載;隔振緩沖系統設計

收稿日期：2013-12-19修改稿收到日期：2014-05-30

通信作者楊文芳女，碩士，高級工程師，1978年生

中圖分類號:TN03;O34

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.032

Abstract:In order to improve the mechanical environment adaptability of an airborne electronic equipment, the vibration and shock isolation system of an airborne electronic device rack was designed and studied. Based on the basic theory of vibration and shock isolation, an advanced vibration and shock isolation system’s design method and flow path were proposed combining theoretic calculation, simulation analysis and test verification. The reasonability of the method and flow path was verified with the test results of a certain rack to reach the design goal and save the design time and cost. The results provided a reference for design of similar racks under other dynamic environments.

Vibration and shock isolation system design for an airborne electronic device rack

ZHULan-qin,YANGWen-fang,LIYu(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Key words:electronic equipment rack; airborne; vibration and shock isolation system design

機載電子設備是飛機武器系統的重要組成部分，在航行或作戰中經常受到各種各樣的振動、沖擊等載荷。如果設備自身的機械環境適應能力差，在使用過程中就會因振動和沖擊作用產生故障。

機載電子設備主要安裝在標準機柜/機架內。其內部一般都含有精密的電子部件和較為復雜的機構，在機柜/機架結構設計中，需要進行專門的機械環境適應性設計，目前主要采取電子設備結構自身的加固設計和采用隔振緩沖系統將設備與振源(和沖擊源)隔離兩種措施。

傳統的電子設備隔振緩沖設計主要依靠經驗設計，隔振緩沖系統的選擇也主要依靠經驗從成品隔振緩沖器(以下簡稱隔振器)中被動選取，選用時僅考慮隔振器的性能參數與設備重量、重心的匹配，而未從設備自身對隔振器性能參數的需求出發去主動選取。經常同時選取幾種隔振器，針對樣機采用不同隔振器做振動沖擊試驗，對比實驗結果，選取一種效果較好的隔振器。這種做法不能保證所選取的隔振器性能最優，以及與設備之間的最佳匹配性。產品研制過程往往需要多次反復，周期較長。

隨著環境平臺的日益復雜，研制周期日趨緊張，傳統設計方法很難滿足研制要求。因此，很有必要打破傳統電子設備隔振緩沖設計思路，提出一套基于理論計算、仿真分析、試驗驗證等先進技術相結合的隔振緩沖設計方法。

王茂等[1-3]介紹過借助振動理論，或通過不同隔振器的對比進行機柜減振設計的方法和過程。楊文芳等[4]提出過基于有限元分析確定減振設計目標的方法。王平等[5]介紹過金屬橡膠減振器在機載光電吊艙復合減振系統中的應用。

本文以某機載電子設備機架為例，描述其將理論計算、仿真分析和試驗驗證等先進技術相結合的隔振緩沖系統設計方法和過程，包括隔振緩沖系統設計流程、理論基礎、元件布局、元件參數設計、元件選取等內容。

1隔振緩沖系統設計流程

圖1　隔振緩沖系統設計流程圖Fig.1 Flow chart of vibration and shock isolation design

設備機架隔振緩沖系統設計的步驟是(見圖1)：①根據設備結構選擇隔振器的支撐位置和方式，根據非耦合條件選擇隔振器支撐的布置方式；②借助仿真分析手段，確定機架隔振緩沖設計目標，選定機架各個方向振動、沖擊傳遞率許用值[TA]；③通過振動、沖擊傳遞率公式計算(或查傳遞率曲線)確定隔振緩沖系統的固有頻率fn；④根據設備機架質量M、重心和固有頻率fn確定隔振緩沖元件剛度k；⑤選定適當的阻尼比及相應的阻尼元件；⑥根據計算得到的各隔振緩沖元件參數，設計或選擇隔振器；⑦試驗驗證。

2隔振緩沖設計理論

當電子設備在運載工具上工作時，可將運載工具的振動視為對設備的基礎激勵，設備受基礎激勵的振動隔離稱為被動隔振，其力學模型參見圖2。

圖2　單自由度強迫振動Fig.2 Forced vibration under single freedom

圖2所示的彈性系統，受到基礎位移激勵x0(t)，系統運動的微分方程為

(1)

將基礎運動的位移假定為隨時間呈正弦規律變化，x0=A0sinωt，在以固有頻率ωn的振動因阻尼作用而衰減之后，系統處于穩態振動，由質量m的位移x定義，

振動絕對傳遞率定義為

(2)

上述討論的阻尼為粘性阻尼，而實際系統中的阻尼有許多形式，采用能量等效的方法可將非粘性阻尼等效為粘性阻尼，即可用上述方式描述系統的運動響應，式(2)中阻尼比D改為等效阻尼比De。

沖擊是急劇的瞬態運動，激勵函數通常是任意非周期性的時間函數。以“半正弦”脈沖為例，激勵函數為

(3)

為便于分析，略去阻尼，其響應函數為

(4)

式中，T=2π/ωn是響應系統的固有周期，τ為脈沖持續時間。

3某機載機架隔振緩沖系統設計

3.1某機架結構特性描述

圖3　通用機架外形圖Fig.3 Appearance of the general rack

某機載機架主體為鋁板折彎焊接成形的鈑金結構，主要由頂框、底座、前后立柱、拉件、加強筋及插箱、導軌等組成。主要選用高強度的鋁合金材料，承載結構件采用強度更高的不銹鋼材料。機架外形尺寸為590 mm(寬)×700 mm(深)×1 885 mm(高)(見圖3)。機架內部安裝工作站、顯示器等電子設備。本機架為通用機架，裝滿設備后各機架質量為150～250 kg。

3.2機械環境條件

某螺旋槳飛機載機平臺艙內設備振動頻譜范圍為10～2 000 Hz，譜型為寬帶隨機疊加窄帶隨機(見圖4)。

圖4　螺旋槳飛機振動譜型Fig.4 Power spectrum density of propeller aircraft

載機艙內設備沖擊條件如下：

a)功能沖擊：6 g 、11 ms

b墜撞安全沖擊:15 g 、11 ms

c)沖擊試驗波形:半正弦脈沖波形

沖擊脈沖波形見圖5。

圖5　半正弦脈沖波形及其容差限Fig.5 Half sine wave and tolerance limit

3.3.1隔振器布置方式確定

隔振器的支撐方式包括隔振器布局和安裝方式，確定過程中主要考慮避免或減少設備耦合振動—解耦設計。

機架安裝方式和隔振器的布局需要考慮到機架重量、重心位置，應盡量對稱，使系統解耦。圖3中機架質量中心位置左右居中(即左右方向關于幾何中心對稱)，前后方向居機架正面286 mm(即關于幾何中心向前偏移64 mm)，上下方向居機架底部800 mm。

理想的非耦合布置方式是將隔振器安裝在設備的重心平面。針對圖3中的機架來說，機架正前面要進行操作，后面有大量線纜，需要從后面進行設備和線纜維護，因此，只能在機架底部、頂部和頂背部安裝隔振器。根據機架高度和載機安裝平臺結構，機架高度方向尺寸遠遠大于寬度和深度方向尺寸，因此機架最終選擇了底部和頂背部安裝方式。

因為加裝隔振器后，可以通過隔振器的剛度匹配法實現系統部分解耦，因此機架安裝點布置仍考慮幾何對稱。機架底部底座上布置4個安裝點，各安裝點關于機架左右和前后方向對稱，距機架外輪廓50 mm。在機架上頂框背部左右對稱布置兩個安裝點。在機架內部6個安裝點位置增加墊塊進行加強。各安裝點布局見圖6。

圖6　機架隔振器布局Fig.6 Rack isolator layout

3.3.2隔振緩沖設計目標確定

設備隔振緩沖設計目標就是要明確隔振緩沖系統使用環境，設備允許的安裝方式，設備與周圍設備及艙壁間的允許變形空間，設備允許的振動、沖擊量值，或允許的傳遞率。

在隨機振動中，激振頻率帶寬內所有的頻率都是同時存在的，而且幅值和相位關系隨機分布。隨機振動傳遞率[6]

(5)

基礎和被隔振設備的均方加速度密度可以通過應用于正弦振動的絕對傳遞率建立聯系[7]：

Wr(f)=We(f)TA2

(6)

式中:Wr(f) 和We(f) 分別為設備和基礎的均方加速度密度，單位為g2/Hz；TA為隔振系統的絕對傳遞率。

在半正弦加速度脈沖激勵下，響應加速度最大值與脈沖加速度最大值之比為沖擊傳遞率[7]。

(7)

按照通用機架結構，以最大負載250 kg為研究對象，借助有限元分析方法建立剛性連接模型，通過加載圖4所示的隨機振動譜型進行隨機振動譜分析(PSD)，以機架結構所有部位最大應力小于屈服許用應力[σ0.2]和持久極限許用應力[σ-1]，機架內安裝設備各部位響應不出現放大為設計目標，確定各方向振動許用傳遞率如下：

[TA振動-Z]=0.65，[TA振動-X]=1，[TA振動-Y]=0.85

另外，在垂直方向振動時，應滿足49 Hz的振動傳遞率TA<0.3；在左右方向振動時，應滿足50.5 Hz的振動傳遞率TA<0.45；在前后方向振動時，應滿足49 Hz的振動傳遞率TA<0.4。

同理，通過加載圖5所示的“半正弦”脈沖沖擊波進行瞬態動力學分析，確定各方向沖擊傳遞率許用值。以機架結構中產生的應力不超過設備允許值(即最大應力小于抗拉許用應力[σb]為設計目標)，確定各方向沖擊許用傳遞率如下：

[TA沖擊-Z]=0.5，[TA沖擊-X]=0.9，[TA沖擊-Y]=0.6

機架在載機內呈并排安裝方式，為防止相鄰機柜之間發生相互碰撞，兩相鄰機架之間留有20 mm的間隙，將機架左右位移不超過10 mm做為隔振緩沖系統設計另一重要輸入。另外，機載環境的其他環境適應性要求和對隔振器的壽命要求也做為隔振器設計的輸入條件。

4.3.3確定隔振器固有頻率

由公式(2)繪出的振動系統TA-γ振動傳遞率曲線[8]見圖7。

圖7　振動傳遞率Fig.7 Vibration transmission rate

同時，根據“3.3.2”中確定的緩沖設計目標，半正弦沖擊響應公式式(3)和圖5所示的沖擊脈沖曲線聯合確定為滿足設備緩沖需求，隔振器在各承載方向上固有頻率的選取范圍：

fz≤12 Hz，fx≤13.6 Hz，fy≤13.6 Hz

綜合隔振緩沖需求，初步確定隔振器各承載方向上的固有頻率f≤7 Hz。

3.3.4確定隔振器剛度和阻尼

采用隔振器支撐時，振動的耦合情況取決于設備的重心位置、隔振器的安裝方式、各隔振器的彈簧剛度等。

解耦設計的基本原理：使剛度矩陣和質量矩陣同時為對角陣，即系統的剛度中心與質量中心重合。一旦偏心已經客觀存在，則可用剛度適配法來解耦，即把剛度中心調至質量中心。

圖8　機架隔振器等效示意圖Fig.8 The equivalent figure of rack isolator

設備機架隔振器布局見圖6，為計算各隔振器三個方向的剛度和阻尼值，將每個隔振器簡化成三個方向(與坐標軸平行)互相垂直的彈簧阻尼器(見圖8)。圖8中以機架的幾何中心作為坐標原點，左右方向為X軸，前后方向為Y軸，垂直方向為Z軸。則6個隔振器布置點坐標值分別為(-245，-300，-942.5)、(245，-300，-942.5)、(245，300，-942.5)、(-245，300，-942.5)、(-197.5，350，916.5)、(197.5，350，916.5)。質量中心C坐標值為(0，-64，-142.5)，單位：mm。

令a=300，b=245，c=942.5，c1=916.5，b1=197.5，e1=0，e2=64，e3=142.5，M=250 kg。

通過正剛度適配法，可以使機架主承載方向(Z向)、前后方向(Y向)振動與其他方向解耦，隔振元件剛度需要滿足以下要求：

k1z×(b-e1)+k4z×(b-e1)+k5z×(b1-e1)=

k2z×(b+e1)+k3z×(b+e1)+k6z×(b1+e1)

(8a)

k1z×(a-e2)+k2z×(a-e2)=k3z×(a+e2)+

k4z×(a+e2)+k5z×(350+e2)+k6z×(350+e2)

(8b)

k1y×(c-e3)+k2y×(c-e3)+k3y×(c-e3)+

k4y×(c-e3)=k5y×(c1+e3)+k6y×(c1+e3)

(8c)

k2y×(b+e1)+k3y×(b+e1)+k6y×(b1+e1)

(8d)

另外，Z方向的總剛度滿足

(9)

為滿足解耦，令背部兩個隔振器垂直方向剛度k5z=k6z=0，求解上述方程組，解得

k1z=k2z≤175 927.5 N/m

k3z=k4z≤114 239 N/m

隔振器水平剛度與垂直剛度之比推薦值為0.25～0.5[9]，考慮橫向穩定性和3.3.3節的水平固有頻率要求，本文取剛度比kx/kz=ky/kz=0.45，則

k1y=k2y=k1x=k2x≤79 167 N/m

k3y=k4y=k3x=k4x≤51 408 N/m

k5y=k6y=k5x=k6x≤98 640 N/m

4隔振器選擇

按照上述確定的隔振器固有頻率、剛度和阻尼等參數，綜合考慮其他環境適應性和壽命等要求，選擇隔振器。另外，由于我們設計的是標準機架，內裝設備的重量有較大差別，重心也會有些偏差，因此選擇隔振器還要考慮的模塊化的要求(外形和尺寸統一，承載重量、剛度、阻尼等可調)。經過多方比較，我們最終選定某型無諧振峰隔振器(見表1)。

表1　某型隔振器參數

注：表中帶星號項為估算值，其他項摘自產品手冊

其振動傳遞率[10]參見式(10)，振動傳遞率曲線參見圖9。根據式(10)單獨校核由“3.3.2”中確定的危險頻率點(垂直方向為49 Hz，左右方向為50.5 Hz，前后方向為49 Hz)上振動傳遞率，能夠滿足隔振設計需求。

(10)

圖9　無諧隔振傳遞率Fig.9 Resonance-free vibration transmission rate

5試驗驗證

將裝有某型隔振器的電子設備機架安裝在V984LS型電磁振動臺上，按照“3.2”節振動、沖擊試驗量值進行試驗考核。各項試驗均以工裝底板上一點為控制點，試驗容差滿足GJB150的要求。試驗后，均未發現任何松動、裂紋等機械損傷。試驗中，用加速度傳感器分別測了中間和最上層分機安裝處的響應值。相比各測點響應值，在垂直方向上中層分機安裝處加速度響應最大，其加速度均方根值為2.039 g，振動衰減達50%以上(輸入加速度均方根值為4.66 g)。沖擊在三個方向上，最大響應峰值約為7 g，緩沖量值能夠達到50%以上(輸入峰值為15 g)。對比“3.3.2”，滿足隔振緩沖設計目標。

目前，該型號機架(含隔振器)已裝載整套電子裝備完成裝機、試飛、交付、使用等。在整個過程中未發生機架強度方面的破壞和因機架振動沖擊問題導致的電子裝備的失效。

試驗和實踐證明，根據本文描述的理論計算和仿真分析方法進行隔振器參數設計和選型，達到了預期隔振緩沖設計目標。

6結論

本文以某機載電子設備機架為例，描述了機載電子設備機架隔振緩沖設計的過程。

此方法能夠滿足設計要求，且在試驗中得到了驗證。此方法同樣可以運用于艦載、地面或其它環境平臺上的電子設備隔振緩沖設計上。

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