淺述裝甲車(chē)載電子設(shè)備的減振分析與仿真

周凱 段斐 趙鵬 黃卓 陳麗紅

摘 要 裝甲車(chē)載電子設(shè)備在隨車(chē)行進(jìn)過(guò)程中，會(huì)受到來(lái)自環(huán)境的振動(dòng)和沖擊，可能會(huì)對(duì)電子設(shè)備及內(nèi)部電路板造成大的影響。在分析了多種機(jī)械振動(dòng)控制方法后，本文采用隔振消振法來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的減振。利用有限元分析方法討論了減振器的參數(shù)及布置方式對(duì)減振效果的影響，為電子設(shè)備合理選擇減振器提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 電子設(shè)備;減振分析;仿真

裝甲車(chē)載電子設(shè)備所處的環(huán)境比較惡劣，在隨車(chē)行進(jìn)中會(huì)受到來(lái)自裝甲車(chē)底盤(pán)的振動(dòng)或沖擊，可能會(huì)對(duì)電子設(shè)備及其內(nèi)部的電路板造成的大的影響。因此在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮電子設(shè)備的防振設(shè)計(jì)。

1 電子設(shè)備的減振分析

目前常用的裝甲車(chē)載電子設(shè)備的防振設(shè)計(jì)有：減弱與消除振源、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、附加振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)、振動(dòng)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法[1]。減弱與消除振源是指在振動(dòng)產(chǎn)生處消除振源或減小振源的能量，是一種最根本的振動(dòng)控制方法，其主要是改善不平衡的力或力矩引起的設(shè)備的振動(dòng)，如氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力、汽油機(jī)的周期性移動(dòng)等，在大型航天航空設(shè)備及汽輪發(fā)電機(jī)上應(yīng)用較多，費(fèi)用昂貴，在裝甲車(chē)內(nèi)應(yīng)用較少。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化即指優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，以增加系統(tǒng)本身的動(dòng)剛度，避開(kāi)共振區(qū)。振動(dòng)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指在振動(dòng)控制過(guò)程中，根據(jù)檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用一定的控制策略，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)施加一定的力，達(dá)到抑制振動(dòng)的目的，這種方法一般要有傳感器、智能作動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在裝甲車(chē)內(nèi)也應(yīng)用較少。

附加振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)是目前裝甲車(chē)載電子設(shè)備最常用的防振手段，是指在振源與受迫振動(dòng)體之間增加減振或隔振裝置，通過(guò)彈性體結(jié)構(gòu)減弱振動(dòng)傳遞，通過(guò)阻尼結(jié)構(gòu)增加材料阻尼，降低振動(dòng)能量，包括隔振消振法、阻尼結(jié)構(gòu)減振法等[2]。本文采用在電子設(shè)備上加外置減振器的方式來(lái)減振，利用有限元建模來(lái)計(jì)算電子設(shè)備的模態(tài)振型，分析電子設(shè)備機(jī)箱及內(nèi)部電路板在不同減振器參數(shù)下的響應(yīng)情況，進(jìn)而得到電子設(shè)備的最優(yōu)減振效果。

2 基于Ansys Workbench的減振仿真

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以有限元技術(shù)為主的CAE技術(shù)越來(lái)越得到工程界的重視，各行業(yè)紛紛利用CAE軟件來(lái)提升產(chǎn)品研發(fā)能力。Ansys Workbench軟件就是一款先進(jìn)的工程仿真技術(shù)集成軟件，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)果靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、疲勞分析等功能。本文即利用該軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

本文以某型號(hào)全加固服務(wù)器為例，如圖1所示，其重量約為22kg，機(jī)箱材料為鋁合金，安裝于裝甲車(chē)內(nèi)部甲板上，在隨車(chē)行進(jìn)中，會(huì)受到來(lái)自裝甲車(chē)底盤(pán)的振動(dòng)沖擊。選用金屬干摩擦無(wú)諧振減振器為其減振，并探究減振器參數(shù)選擇與布置方式對(duì)其減振效果的影響。

在Ansys Workbench軟件中構(gòu)建裝甲車(chē)內(nèi)部的振動(dòng)環(huán)境，以輪式車(chē)隨機(jī)振動(dòng)的功率譜密度曲線為輸入，設(shè)定邊界條件，添加材料特性，劃分網(wǎng)格，然后利用軟件中的模態(tài)分析模塊對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，再選用隨機(jī)振動(dòng)模塊進(jìn)行分析計(jì)算，即可得到電子設(shè)備及其內(nèi)部電路板在裝甲車(chē)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的應(yīng)力及應(yīng)變分布圖。

2.1 減振器參數(shù)設(shè)計(jì)

首先分析減振器參數(shù)對(duì)減振效果的影響。本文將金屬干摩擦無(wú)諧振減振器簡(jiǎn)化為單自由度彈簧阻尼系統(tǒng)，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)等效為彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)。服務(wù)器通過(guò)減振器與裝甲車(chē)甲板連接，選用四個(gè)減振器，每個(gè)減振器的承重約為5.5kg。依據(jù)服務(wù)器固有頻率及其運(yùn)動(dòng)微分方程，選取阻尼比0.16，剛度分別為1.0 kN/m、1.5kN/m、2.0 kN/m的三種參數(shù)的減振器進(jìn)行仿真，得到服務(wù)器的機(jī)箱上的最大應(yīng)力分別為33.6MPa、29.9MPa、26.4MPa，最大變形量分別為2.46mm、1.46mm、1.01mm。可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，減振器剛度越大，減振效果越好，所以選用阻尼比0.16，剛度2.0kN/m的減振器進(jìn)行減振。

2.2 減振器布置方式

選取兩種不同的減振器布置方式來(lái)探究其對(duì)服務(wù)器減振效果有無(wú)影響。兩種減振器布置方式均為常見(jiàn)的減振器布置方式，分別是十字形與四周型。十字型即沿十字形布置四個(gè)減振器，四個(gè)減振器呈對(duì)稱分布，底部固定于裝甲車(chē)甲板上，服務(wù)器的重心位于四個(gè)減振器的中心位置，進(jìn)而使得減振器受力均勻，提高減振性能。四周型即沿矩形四個(gè)角布置四個(gè)減振器，與十字形布置方式類(lèi)似，四個(gè)減振器也呈對(duì)稱分布，且中心位置也與服務(wù)器重心位置重疊，受力均勻。

針對(duì)兩種減振器布置方式分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得到服務(wù)器機(jī)箱的最大應(yīng)力為26.4MPa（四周型）和30.7MPa（十字型）。可以發(fā)現(xiàn)，減振器四周型布置方式在減振效果上略好于十字型布置方式。圖2為四周型布置方式下服務(wù)器內(nèi)部的電路板應(yīng)力分布情況，電路板的最大變形量為0.443mm，最大應(yīng)力為3.37MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)裝甲車(chē)載的電子設(shè)備進(jìn)行了振動(dòng)分析，建立了減振平臺(tái)，并通過(guò)有限元仿真計(jì)算，得到了不同減振器參數(shù)及布置方式下的電子設(shè)備及內(nèi)部電路板的響應(yīng)情況，為機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減振器的合理布局、減振器參數(shù)的合理選擇提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬帥旗.機(jī)載電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（2）：185-187.

[2] 趙鵬.淺析電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)與信息化，2018，（599）：119.