隔振器布置對隨機振動特性影響對比研究

韓 濤，聶小華，段世慧

（中國飛機強度研究所，陜西?西安?710065）

在機載電子設(shè)備的隨機振動分析方面，現(xiàn)有文獻已有研究，如吳孟武等[1]分析了某星載電子設(shè)備在加速度過載、沖擊、正弦振動及隨機振動等各種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和受力情況，徐偉杰等[2]對某星載電子設(shè)備進行了模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上進行了隨機振動響應(yīng)分析，薄玉奎等[3]對機載電子設(shè)備接口引起諧振的情況進行了分析，范文杰等[4]對星載電子設(shè)備有限元模型進行模態(tài)分析，孫春艷等[5]提出了一種分數(shù)階導(dǎo)數(shù)阻尼下隨機振動結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法。本文參考以上研究成果，為了進一步提高機載信號控制器的抗振性能，在隨機振動強度分析基礎(chǔ)上對設(shè)備的隔振器布置進行對比研究，根據(jù)設(shè)備安裝尺寸，在擬定的結(jié)構(gòu)初步方案基礎(chǔ)上提取不同隔振器布局下的隔振效果，以典型位置有限元節(jié)點的振動傳遞率評估隔振器布局的隔振水平。在隨機振動分析階段對已有模型進行了物理試驗驗證，分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，能夠達到輔助工程研發(fā)的目的，在節(jié)省物理試驗成本，提高設(shè)備研制效率方面，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1??控制器結(jié)構(gòu)方案

機載信號控制器改變了以往形式，提高了設(shè)備集成度和控制合理性設(shè)計，其內(nèi)部主要包括信號放大器、功率放大器以及信號補償傳輸裝置，外觀主要組成部分為6個面板和4個隔振器，控制器外形箱體大小為170.4mm×167.8mm×162.9mm。隔振器底座距離箱地約為28mm。設(shè)計方案包括初步設(shè)計和改進兩套方案[6]。

結(jié)構(gòu)初步設(shè)計方案一：側(cè)向隔振器間距132.8mm，前后隔振器間距127.9mm的結(jié)構(gòu)，如圖1所示[6]。

結(jié)構(gòu)改進設(shè)計方案二：側(cè)向隔振器間距117.8mm，前后隔振器間距112.9mm的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。兩個方案結(jié)構(gòu)其的他布局完全相同。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)方案一

圖2 控制器結(jié)構(gòu)方案二

2??隨機振動分析

隨機振動分析是一種基于概率統(tǒng)計學(xué)的譜分析技術(shù)，也稱功率譜密度分析，是將時間歷程的統(tǒng)計樣本轉(zhuǎn)變?yōu)楣β首V密度函數(shù)（Power Spectral Density，PSD）。隨機振動分析中PSD記錄了激勵和響應(yīng)的均方根值同頻率的關(guān)系，因此PSD是一條功率譜密度值—頻率值的關(guān)系曲線，即載荷時間歷程。功率譜密度函數(shù)是隨機變量自相關(guān)函數(shù)的頻域描述，能反映隨機載荷的頻率成分。

有限元模型的總體坐標系及坐標原點與結(jié)構(gòu)初步方案的數(shù)模一致，采用直角坐標系，采用統(tǒng)一單位如下：質(zhì)量噸（t），長度毫米（mm），力牛頓（N），導(dǎo)出單位：應(yīng)力及彈性模量兆帕（1MPa，=1N/mm2=106N/m2），質(zhì)量密度（t/mm3）。信號控制器主要采用殼元建立有限元模型，按照各部件厚度和實際位置賦屬性，箱體內(nèi)部的板子采用重心位置的質(zhì)量單元模擬，母線板采用殼元模擬，母線板與側(cè)板之間采用共節(jié)點方式連接，質(zhì)量單元通過MPC與母線板以及側(cè)板連接，隔振器采用BUSH元模擬，并按隔振器各方向阻尼賦屬性?？刂破饔邢拊Ｐ凸?3529個單元，13115個結(jié)點。定義X方向為航向，Y方向為側(cè)向，Z方向為垂向，在各個方向進行隨機振動分析時施加該方向單位載荷，在進行某一方向的隨機振動計算時，對該方向的約束進行釋放，對其他方向的自由度進行約束。圖3所示為某一方向約束示意圖。

圖3 控制器模型及約束條件

3??仿真結(jié)果及對比分析

3.1??方案一 RMS 應(yīng)力云圖

對于方案一結(jié)構(gòu)的有限元模型，得出航向、側(cè)向、垂向的RMS應(yīng)力如圖4、圖5、圖6所示，應(yīng)力水平不高，最大應(yīng)力約為134.0MPa、140.0MPa、66.8MPa，滿足材料許用應(yīng)力，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在隔振器連接位置[6]。

圖4 方案一航向RMS應(yīng)力云圖

3.2??方案一 PSD 響應(yīng)曲線

對于方案一，圖7、圖8、圖9是3個方向的加速度PSD響應(yīng)曲線，虛線表示輸入點功率譜密度，輸入點GRMS值與各方向振動載荷量值一致。實線代表距離振動輸入節(jié)點較遠處的PSD響應(yīng)，可以看出減振效果較為明顯。航向、側(cè)向、垂向響應(yīng)GRMS分別為5.054g、5.988g、8.302g，振動傳遞率分別為45.86%、19.29%、32.13%[6]。

圖5 方案一側(cè)向RMS應(yīng)力云圖

圖6 方案一垂向RMS應(yīng)力云圖

圖7 方案一航向PSD響應(yīng)曲線

圖8 方案一側(cè)向PSD響應(yīng)曲線

圖9 方案一垂向PSD響應(yīng)曲線

3.3??方案二 RMS 應(yīng)力云圖

對于方案二結(jié)構(gòu)的有限元模型，得出航向、側(cè)向、垂向的RMS應(yīng)力如圖10、圖11、圖12所示，應(yīng)力水平不高，最大應(yīng)力約為131.0MPa、136.0MPa、58.5MPa，滿足材料許用應(yīng)力，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在隔振器連接位置?？梢钥闯?，方案二結(jié)構(gòu)的隔振器位置分析結(jié)果應(yīng)力變化不大，總體而言兩方案均滿足材料許用應(yīng)力。

圖10 方案二航向RMS應(yīng)力云圖

圖11 方案二側(cè)向RMS應(yīng)力云圖

圖12 方案二垂向RMS應(yīng)力云圖

3.4??方案二 PSD 響應(yīng)曲線

對于方案二，圖13、圖14、圖15是3個方向的加速度PSD響應(yīng)曲線，虛線表示輸入點功率譜密度，輸入點GRMS值與各方向振動載荷量值一致。實線代表距離振動輸入節(jié)點較遠處的PSD響應(yīng)，可以看出減振效果較為明顯。航向、側(cè)向、垂向響應(yīng)GRMS分別為5.643g、5.823g、8.182g，振動傳遞率分別為51.16%、18.75%、31.65%。

圖13 方案二航向PSD響應(yīng)曲線

圖14 方案二側(cè)向PSD響應(yīng)曲線

圖15 方案二垂向PSD響應(yīng)曲線

4??結(jié)論

針對本文提出的以隨機振動分析對機載信號控制器隔振器布置進行對比研究，得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)物理試驗選取的典型部位節(jié)點的振動傳遞率較低，該量值可以衡量結(jié)構(gòu)在隔振器從輸入到輸出端的振動傳遞效率，兩個方案結(jié)構(gòu)的減振效果均非常明顯。

（2）隨機振動分析結(jié)果表明，該信號控制器結(jié)構(gòu)具有較高的強度裕度，在隔振器布置位置上方案一在航向隔振效果更好，方案二在側(cè)向和垂向隔振效果更好。

（3）從PSD響應(yīng)曲線可以看出，在分析頻段內(nèi)輸出曲線在輸入曲線下方，個別頻率出現(xiàn)放大，導(dǎo)致總均方根較大，這是由于在沿著隨機振動輸入方向的點在該方向的輸入頻率與模態(tài)一致導(dǎo)致的。

（4）該隨機振動仿真分析方法可以解決同類產(chǎn)品在工程中常見的隨機振動問題，其分析結(jié)果可以輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，為設(shè)備結(jié)構(gòu)選型和定型提供參考。