基于模態(tài)分析的某信道化處理機減重設(shè)計

王加路，張文興，馬建壯

中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東 青島 266555

信道化處理機除了要求良好的電氣性能，為提高飛行器速度及靈活性，輕量化也是基本的要求，甚至已經(jīng)成為是否具備競爭力的一項重要的指標(biāo)。由于電路功能的高要求和元器件的無法替代[1?2]，使得信道化處理機結(jié)構(gòu)件的減重顯得尤為重要。結(jié)構(gòu)件減重的同時，結(jié)構(gòu)件剛強度要求也要得到滿足。

本文根據(jù)某信道化處理機的結(jié)構(gòu)特點，從材料選擇、結(jié)構(gòu)布局等角度進(jìn)行初步減重，然后對主要承載結(jié)構(gòu)件基于模態(tài)分析進(jìn)行減重設(shè)計。對減重設(shè)計后的信道化處理機連同整機進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境試驗，結(jié)果表明，該信道化處理機減重后滿足各項力學(xué)環(huán)境要求。

1 信道化處理機功能和組成

信道化處理機模塊包括信道化接收機和信號處理機2個單元。其中信道化接收機對接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行采樣處理，并將采樣結(jié)果傳送給信號處理機；信號處理機對接收到的采樣信號進(jìn)行軟件求解，得到目標(biāo)方位數(shù)據(jù)，并傳遞給上位機，進(jìn)而控制飛行姿態(tài)[3?4]。

信道化處理機模塊總體結(jié)構(gòu)如圖1所示(隱藏蓋板)。信道化處理機的腔體為“雙面腔”結(jié)構(gòu)，信道化接收單元和信號處理單元為2塊獨立的印制板，2塊印制板安裝在腔體2側(cè)，通過印制板背面的緊湊型PCI接口互聯(lián)并交換數(shù)據(jù)。整個模塊采用強迫風(fēng)冷散熱，散熱風(fēng)扇安裝在模塊下方，模塊上方、2側(cè)為出風(fēng)口。為增加散熱面積，提高強迫對流系數(shù)，發(fā)熱量較大的A/D、DSP、FPGA芯片上方安裝有散熱器。本文關(guān)于信道化處理機的散熱技術(shù)研究不做介紹，僅就信道化處理機模塊的減重設(shè)計進(jìn)行分析。

圖1 信道化處理機總體結(jié)構(gòu)

2 總體減重設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)布局減重

早期設(shè)計方案中，信道化接收機和信號處理機為獨立的模塊，2模塊的印制板分別安裝在2個獨立的腔體中。如第1部分所述，將早期方案中2塊印制板安裝在2個腔體的布局結(jié)構(gòu)，改為2塊印制板安裝在同一腔體底面的正反兩面，腔體采用雙面腔的結(jié)構(gòu)布局，同等尺寸條件下，腔體底面數(shù)量減少一半，與此同時，信道化共用一套散熱系統(tǒng)，可有效減小整機重量。

2.2 材料選用減重

有關(guān)資料顯示，電子設(shè)備因振動因素導(dǎo)致的失效占總失效率的27%以上[5]，結(jié)構(gòu)的固有頻率作為結(jié)構(gòu)的固有參數(shù)，決定著設(shè)備的抗振動、抗沖擊性能。根據(jù)動力學(xué)理論知識，在幾何構(gòu)造不變的情況下，結(jié)構(gòu)的固有頻率與材料的比剛度(E/ρ)成正比。

綜合考慮減重與剛度要求2個方面，起支撐作用的信道化處理機腔體，材料選用密度較低，剛度、強度中等，加工性能優(yōu)良的鋁合金，其E/ρ與鋼相當(dāng)，但密度僅為鋼的1/3；僅起到屏蔽與防護(hù)作用的蓋板，材料則選用耐腐蝕性好、密度更低的鎂錳合金，其E/ρ與鋼相當(dāng)，但密度ρ僅為鋼的1/4。詳細(xì)參數(shù)對比如表1所示。

表1 材料參數(shù)對比

3 基于模態(tài)分析的腔體減重設(shè)計

在信道化處理機結(jié)構(gòu)布局和材料確定后，減重的重點落在起到安裝及承載作用的腔體上，接下來基于模態(tài)分析對信道化處理機腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重設(shè)計。

3.1 模態(tài)分析理論

電子設(shè)備在進(jìn)行減重設(shè)計時很難判斷減少哪個部分的質(zhì)量不至于引起結(jié)構(gòu)剛度的大幅降低。模態(tài)是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動力學(xué)描述，模態(tài)分析用于獲取系統(tǒng)的振型、固有頻率等模態(tài)參數(shù)，根據(jù)陣型和固有頻率，可以判斷減重的方向與重點。對于一個線性系統(tǒng)，振動微分方程可以用式(1)表示。

式中:M、C、K分別是系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；u為系統(tǒng)位移向量，F(xiàn)為系統(tǒng)載荷向量。

對于無阻器自由振動，式(1)可以寫成式(2)的形式。

式(2)具有以下簡諧運動形式的解, 其形式為式(3)。

將式(3)帶入式(2)可得式(4)。

?i=0表示不振動，無意義忽略。公式(4)成立需要滿足公式(5)。

式(5)即為典型的求解特征值、特征向量的問題。可以求解得到n個特征值ωi(固有頻率)和n個特征向量?i(模態(tài)陣型)[6]。由相關(guān)振動理論，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動響應(yīng)的影響較大，高階模態(tài)可以忽略不計。為此要保證結(jié)構(gòu)低階固有頻率，尤其是第一階固有頻率(簡稱基頻)滿足要求[7]。

3.2 腔體模態(tài)仿真分析

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，為充分減重，腔體側(cè)壁厚減薄1～1.5 mm，進(jìn)出風(fēng)口區(qū)域掏空，后期根據(jù)電磁兼容要求安裝屏蔽網(wǎng)。腔體底面為保證支撐強度，壁厚1.5 mm。

對腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了逐步優(yōu)化，設(shè)計了4種腔體結(jié)構(gòu)方案，接下來所述仿真計算中，基于ANSYS采用Block Lanczos方法計算腔體固有頻率和振型, 這種方法求解精度高、速度快，特別適用于大型模態(tài)特征值問題求解[8]。各結(jié)構(gòu)方案及一階模態(tài)振形如圖2—圖5所示。各方案的前六階固有頻率及腔體質(zhì)量對比如表2所示。

表2 各方案固有頻率仿真結(jié)果對比

圖2 方案1結(jié)構(gòu)及一階模態(tài)

圖5 方案4結(jié)構(gòu)及一階模態(tài)

圖3 方案2結(jié)構(gòu)及一階模態(tài)

圖4 方案3結(jié)構(gòu)及一階模態(tài)

方案1為最初的方案，如前文所述為“雙面腔”結(jié)構(gòu)，腔體底面兩側(cè)的支撐柱用于安裝2塊印制板。模態(tài)分析顯示，方案1中，振幅最大的區(qū)域為腔體底面中心位置，主要原因為中心區(qū)域質(zhì)量對于支撐剛度起到反作用；方案2為在方案1的基礎(chǔ)上對腔體底面中心區(qū)域進(jìn)行掏空減重，腔體質(zhì)量減小60 g，前六階固有頻率變化不大；方案3為在方案1的基礎(chǔ)上設(shè)計了加強筋，用于加強腔體的整體支撐剛度，前六階固有頻率顯著增加，質(zhì)量僅增加28 g；方案4綜合了方案2、方案3的優(yōu)化結(jié)果，相比于方案1，模塊質(zhì)量減小5.6%，且前六階固有頻率增加50%左右。綜合考慮，方案4為最終方案，樣機實物如圖6所示。

圖6 信道化處理機實物樣機

4 試驗驗證

根據(jù)整機要求，為驗證減重后的設(shè)計是否滿足力學(xué)環(huán)境要求，對信道化處理機連同其他模塊根據(jù)總體要求進(jìn)行了功能性、耐久性隨機振動試驗。隨機振動譜及振動試驗如圖7所示，振動后結(jié)果表明，經(jīng)過3個方向的振動試驗后，信道化處理機保持完好，功能正常，滿足設(shè)計要求。

圖7 隨機振動試驗

5 結(jié)論

本文主要闡述了某信道化處理機的減重設(shè)計。根據(jù)信道化處理機的結(jié)構(gòu)特點，從材料選擇、結(jié)構(gòu)布局等角度進(jìn)行初步減重設(shè)計。對主要承載結(jié)構(gòu)件(腔體)，基于模態(tài)仿真分析優(yōu)化了腔體結(jié)構(gòu)，并達(dá)到了減重設(shè)計的目的。對減重后的信道化處理機樣機，進(jìn)行力學(xué)環(huán)境實驗，結(jié)果表明其滿足振動實驗的要求，驗證了減重設(shè)計的合理性。本文為其他類似模塊減重設(shè)計提供了一定的設(shè)計思路。