某機載電子設(shè)備減重設(shè)計及仿真分析

賈光南

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

機載設(shè)備在飛機起飛、著陸、飛行等過程中經(jīng)受了振動、沖擊、加速度等各種嚴(yán)酷的靜動力學(xué)環(huán)境考驗，面對如此復(fù)雜的環(huán)境條件，機載設(shè)備要求具有較高的可靠性。同時，為了提高飛機的靈活性、飛行速度、飛行距離等，又對機載設(shè)備重量要求非常苛刻[1-2]。在設(shè)備功能、飛機安裝環(huán)境不變的情況下，機載電子設(shè)備外形體積已基本固定，解決好機載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)可靠性和設(shè)備減重的問題尤為重要。本文首先對某初樣機載設(shè)備采取多方面的減重優(yōu)化措施，然后對減重后的設(shè)備進行靜動力學(xué)仿真，以驗證設(shè)備能否滿足機載環(huán)境要求。

1 設(shè)備減重設(shè)計

設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)6MCU機箱，由電源模塊、天控激勵模塊、功放模塊三部分拼接而成。以正視天控激勵模塊前面板為視角，左側(cè)為電源模塊，右側(cè)為功放模塊，設(shè)備三維模型如圖1所示。設(shè)備重量指標(biāo)不超過11.6 kg，初樣設(shè)備總重13.7 kg，因此要在原重量基礎(chǔ)上至少減重2.1 kg。

圖1 設(shè)備三維模型

通過對三部分分別進行減重優(yōu)化，減重分別為結(jié)構(gòu)件減重和器件減重兩方面。

1.1 結(jié)構(gòu)件減重優(yōu)化

以設(shè)備三部分的殼體、蓋板、散熱齒等結(jié)構(gòu)件為減重對象，殼體整體在滿足其強度及電磁屏蔽的情況下，內(nèi)壁用T型刀銑加工做到了進一步的減重；蓋板方面，原設(shè)計蓋板厚度為2 mm,且所有蓋板背面均銑了減重槽，現(xiàn)將蓋板厚度均改為1.2 mm，背面銑0.4 mm的減重槽，蓋板重量還能減20%左右。散熱齒及散熱齒基板面除必要安裝外(在保證導(dǎo)熱路徑“最短”前提下)均做了減重措施，如對散熱齒尺寸及形狀進行優(yōu)化，在散熱齒基板上兩散熱齒之間區(qū)域銑減重槽。

1.2 元器件減重優(yōu)化

通過對射頻鏈路進行優(yōu)化仿真設(shè)計，將隔離器數(shù)量減少2只，開關(guān)濾波器組件減去不再使用；對所用的銅質(zhì)鍍銀襯板進行更換，更改為較輕的鋁鍍銀襯板；重新對印制板布局，減小印制板尺寸，盡可能不選擇重量大的元器件；合理設(shè)計內(nèi)部線纜，使線纜長度最小化。

1.3 減重結(jié)論

經(jīng)過結(jié)構(gòu)件和元器件兩方面減重后，設(shè)備預(yù)估質(zhì)量約為11.5 kg，滿足質(zhì)量不超過11.6 kg的指標(biāo)要求，較初樣設(shè)備減重約16%。在后續(xù)設(shè)計中仍需兼顧性能、熱設(shè)計進行減重優(yōu)化。設(shè)備重量匯總見表1。

2 力學(xué)仿真分析

通過采取多渠道的減重措施，設(shè)備重量較大幅度減輕，但是設(shè)備在給定的動力學(xué)環(huán)境條件下滿足強度要求須進一步研究。

表1 設(shè)備減重后重量匯總

2.1 動力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性要求

振動試驗條件：設(shè)備功能振動條件如圖2所示。其中，L1=1.2 g2/Hz，F(xiàn)1=107.5 Hz，F(xiàn)2=2F1，F(xiàn)3=3F1，F(xiàn)4=4F1。

圖2 隨機振動試驗譜

設(shè)備沖擊試驗條件：采用后峰鋸齒沖擊脈沖波形，按GJB150.18 A-2009規(guī)定進行[3]，加速度峰值為40 g，持續(xù)時間11 ms，試驗間隔不小于66 ms。

加速度試驗條件：量值為前向20 g，后向10 g，上11.3 g，下20 g，左、右向分別為10 g。

2.2 仿真模型建立

對模型進行必要的簡化，對PCB基板有限元模型采用單一的均質(zhì)各向同性等效材料等效替代，其元器件按外形和幾何尺寸建立等效模型，采用單一的均質(zhì)各向同性等效材料。采用等效密度等方法，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量與真實質(zhì)量一致。仿真模型主要材料的力學(xué)特性參數(shù)中主要器件的材料屬性如表2所示。

表2 模型材料基本物理屬性

采用四面體網(wǎng)格，整機網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 設(shè)備網(wǎng)格模型

設(shè)備通過2個前鎖緊裝置和后部S6連接器導(dǎo)銷固定在設(shè)備艙中，在本次仿真時，采用Fixed Support模擬其固定約束方式。

2.3 結(jié)構(gòu)剩余強度評估方法

(1) 隨機振動條件下的設(shè)備結(jié)構(gòu)剩余強度系數(shù)計算公式為：

(1)

式中：η為剩余強度系數(shù)，當(dāng)η>1，則滿足設(shè)計要求；σs為材料屈服極限；σRMS為均方根應(yīng)力計算結(jié)果。

(2) 加速度和沖擊條件下設(shè)備結(jié)構(gòu)剩余強度系數(shù)計算公式為：

(2)

式中：η為剩余強度系數(shù)，當(dāng)η>1，則滿足設(shè)計要求；σs為材料屈服極限；σmax為時域響應(yīng)應(yīng)力計算結(jié)果的最大值。

2.4 模態(tài)分析

對設(shè)備三維模型進行模態(tài)分析，所得模態(tài)分析結(jié)果如表3所示?？梢?，設(shè)備殼體的第一階固有頻率為361.03 Hz，設(shè)備的剛度較好。

表3 設(shè)備諧振頻率及位置

圖4顯示了設(shè)備前四階振型圖。

圖4 模態(tài)分析振型云圖

2.5 隨機振動仿真及分析

在模態(tài)分析結(jié)果基礎(chǔ)上，采用PSD法進行隨機振動仿真，輸入設(shè)備隨機振動條件，獲得X、Y、Z3個方向的變形和應(yīng)力。經(jīng)分析，設(shè)備最大隨機振動應(yīng)力在X方向，如圖5所示，1σ應(yīng)力為34.50 MPa，位于設(shè)備后部S6連接器安裝孔處，利用公式(1)計算設(shè)備疲勞剩余強度系數(shù)為1.498，滿足設(shè)計要求。其它較危險點位于左把手與殼體連接處，剩余強度系數(shù)均大于1，滿足設(shè)計要求。

圖5 隨機振動仿真結(jié)果(X向)

圖6 沖擊載荷下的應(yīng)力云圖和變形云圖(-Z向)

2.6 沖擊仿真及分析

輸入沖擊試驗條件，對設(shè)備進行瞬態(tài)動力學(xué)仿真。經(jīng)比較，設(shè)備在-Z方向的沖擊響應(yīng)最劇烈。圖6為-Z向沖擊載荷作用下的設(shè)備應(yīng)力云圖和變形云圖?？梢?，最大變形為0.054 mm，應(yīng)力最大值約為11.6 MPa，出現(xiàn)在左把手與殼體連接處。利用公式(2)計算設(shè)備結(jié)構(gòu)剩余強度系數(shù)為26.72，結(jié)構(gòu)性損壞的可能性很小，完全滿足設(shè)計要求。

2.7 加速度載荷仿真及分析

采用靜力學(xué)分析方法進行加速度載荷仿真，輸入加速度試驗條件，仿真及分析各個方向載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)。經(jīng)對比分析，設(shè)備在前向(+Z)加速度作用下的應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在右把手固定處，約為52.733 MPa，如圖7所示。利用公式(2)計算設(shè)備結(jié)構(gòu)剩余強度系數(shù)為2.94，處于安全裕度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的風(fēng)險小。

圖7 前向(+Z)加速度作用下應(yīng)力云圖

2.8 仿真結(jié)論

從設(shè)備的模態(tài)分析、隨機振動仿真、沖擊仿真和加速度仿真結(jié)果來看，設(shè)備整機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，不存在明顯結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險，結(jié)構(gòu)強度滿足環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求。通過剩余強度系數(shù)可以評估設(shè)備的強度可靠性，也可以定性地評估出設(shè)備的減重富余情況，理論上希望剩余強度系數(shù)略大于1，這時結(jié)構(gòu)既能滿足強度要求，質(zhì)量也越小[4]。對比隨機振動、沖擊、加速度載荷仿真，可發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在隨機振動時，載荷對設(shè)備應(yīng)力及變形影響最大，剩余強度系數(shù)最小為1.498，考慮到仿真過程中模型簡化、載荷計算誤差、結(jié)構(gòu)分析誤差、材料性能分散性等因素，該值已經(jīng)可以說明設(shè)備強度能滿足要求，并且繼續(xù)減重的余量不大。

3 結(jié)束語

本文主要闡述了某機載設(shè)備減重優(yōu)化設(shè)計及力學(xué)仿真驗證校核內(nèi)容。首先從結(jié)構(gòu)件減重和元器件減重2個角度對設(shè)備進行重量優(yōu)化設(shè)計，然后對減重后的設(shè)備進行了模態(tài)分析、隨機振動仿真、沖擊仿真以及加速度仿真，驗證了減重后的設(shè)備能夠滿足靜、動力學(xué)環(huán)境要求，并通過剩余強度系數(shù)反映了設(shè)備減重得比較徹底，為設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及研制提供了重要理論依據(jù)。