某星載陣面電源分配器隨機振動及沖擊分析

胡文超，張 池

(合肥華耀電子工業有限公司，安徽 合肥 230009)

0 引言

星載陣面電源分配器的功能是將試驗艙內的儲能電池、平臺母線提供的電源進行匯流并分配至各個功能模塊，其可靠性至關重要，因而在研制階段需要充分考慮其壽命周期內的各種力學環境[1]。陣面電源分配器需經歷運輸、發射等階段不同的振動環境，為提高產品質量和產品可靠性、縮短設計周期、縮減研發經費，本文通過有限元法對陣面電源分配器進行隨機振動及沖擊分析，以驗證其結構的可靠性。

1 陣面電源分配器構成

如圖1所示，陣面電源分配器主要由殼體、上蓋板、下蓋板、電連接器以及印制板構成。

圖1 陣面電源分配器組成

2 建立陣面電源分配器有限元模型

有限元分析通常包含離散化幾何模型、添加單元截面特性和材料特性、施加載荷和邊界條件、確定分析類型以及輸出結果幾個步驟。

2.1 離散化幾何模型

有限元分析的第一步即是用有限的單元描述連續的幾何體，將連續體人為地在內部和邊界上劃分節點，并以單元的方式逼近復雜的幾何形狀，即幾何模型的離散化，單元和節點的集合稱為網格。通常網格的數量越多、密度越大，計算的精度也越高，但當網格數量增加時分析所需的計算量及計算時間大大增加，對硬件的要求也越高，因此為了兼顧計算量與計算精度，在有限元建模時需要對結構進行必要的簡化。針對本文中陣面電源分配器模型進行以下簡化：①刪除不影響結構的圓角、倒角和螺紋孔；②不考慮電連接器引針對結構的影響；③螺釘連接采用梁單元處理。

本文采用Hex Dominant進行網格劃分，有限元模型如圖2所示，劃分完成后單元數量為231 608，節點數量為932 617。陣面電源實際安裝坐標系中X軸與長邊夾角為60°，Y軸與長邊夾角為30°，Z軸通過右手定則確定。

圖2 陣面電源分配器有限元模型

2.2 材料屬性

陣面電源分配器殼體、上蓋板、下蓋板材料為鋁板2A12-T4，印制板材料為覆銅環氧玻璃布板，各材料力學性能參數見表1。

表1 材料力學性能參數

2.3 邊界條件及載荷條件

陣面電源分配器通過底部4個安裝孔進行固定，其隨機振動載荷見表2，沖擊載荷見表3。

表2 陣面電源分配器隨機振動載荷

表3 陣面電源分配器沖擊載荷

3 模態分析

模態分析是所有振動分析的基礎[2]，其目的是識別系統的模態屬性，為結構的振動分析、故障診斷、優化設計等提供可靠依據。陣面電源分配器工作頻率范圍為10 Hz～2 000 Hz，因此提取2 000 Hz以內的模態。通過對陣面電源分配器4個安裝孔進行固定約束，然后進行模態分析，得出陣面電源分配器的基頻為1 203.1 Hz。陣面電源分配器2 000 Hz以內的模態振型圖如圖3所示。

圖3 陣面電源分配器前4階模態振型圖

4 隨機振動及沖擊分析

對陣面電源分配器進行隨機振動分析，設置阻尼比為0.03，隨機振動條件見表2，得出殼體的最大3σ應力及3σ變形云圖如圖4所示。

圖4 隨機振動載荷下殼體最大3σ應力及3σ變形云圖

對陣面電源分配器進行沖擊分析，沖擊載荷見表3，得出殼體的最大應力及變形云圖，如圖5所示。

通過圖4和圖5可知:在隨機振動載荷下，殼體的最大3σ應力為34.72 MPa，最大3σ變形為0.036 mm；在沖擊載荷下，殼體最大應力為203.34 MPa，最大變形為0.22 mm。

圖5 沖擊載荷下殼體最大應力及變形云圖

根據星載產品機械設計要求，設計時應考慮其能承受的最大載荷(最大靜、動力綜合載荷)，設計載荷為鑒定載荷與最大安全系數的乘積。在設計實際載荷時，結構不應產生破壞，安全系數應按以下標準選取：

(1)對于屈服極限安全系數一般不小于1.20。

(2)對于破壞載荷安全系數一般不小于1.35。

對于屈服和強度極限載荷條件，設備結構部件應具有正的安全裕度，安全裕度的計算式為[3]：

(1)

其中：Ms為安全裕度；[σ]為屈服極限；σmax為最大應力；n為安全系數。

安全裕度應不小于表4中規定的數值。

表4 安全裕度數值

取安全系數為1.2，根據公式(1)計算得出殼體部件安全裕度為：

通過計算可知，殼體的安全裕度為0.13，最大3σ變形為0.22 mm，剛強度均滿足使用環境的要求。

5 結論

本文詳細介紹了某星載陣面電源分配器的有限元仿真分析過程，通過仿真分析得出了陣面電源分配器的最大應力及變形，驗證了陣面電源分配器結構的可行性。