某機載通信電子設備的結構設計與分析

向以鑫，張學新

（中國電子科技集團公司第三十研究所，成都 610041）

0 引言

機載通信電子設備是飛機通信系統的重要組成部分，在飛機航行或作戰中始終處于工作狀態，承受著各種嚴酷的機械環境應力，如炮擊振動、沖擊等，要求設備具有較高的剛強度，如果設備自身的機械環境適應能力差，在使用過程中就會因振動和沖擊作用產生故障[1]。因此在對設備設計時，須對其環境進行分析，確定要承受的機械環境應力，建立力學模型，對設備在炮擊振動、耐久振動及功能沖擊工況下的受力情況進行分析，得到對應的分析數據，以此判斷結構設計的可行性，指導裝備的研制和試驗的開展[2]。

1 設計過程

該機載通信電子設備為后期加裝設備，需要加裝在飛機設備艙內，安裝空間狹小，外形尺寸及質量均受到嚴格限制，多次與用戶溝通確定了設備最大外形、整機質量及安裝位置，明確設備按表1的機械應力要求進行設計和試驗，具體要求如表1所示。

表1 環境應力要求

根據設備功能需求，結合環境應力要求，設備采用功能主機+減震安裝架的結構形式。如圖1所示，功能主機通過A型鎖緊器鎖定在減震安裝架上，實現主機的快速安裝及更換。主機對外接口均布置于前面板上，內部的3個功能插件通過楔形鎖緊條鎖緊到機箱上，如圖2所示，功能插件與背板之間通過板間連接器硬連接，便于插件的安裝、更換及維修。

圖1 設備的結構形式

圖2 主機內部組成圖

2 試驗條件裁剪

按照相同指標類別的較大值進行分解，功能振動與耐久振動按耐久振動的量值進行仿真分析，加速度與功能沖擊按功能沖擊的加速度值進行仿真分析。

根據表1的機械環境應力要求，設計時，可以按照去掉減振安裝架的機械環境應力值，建立力學模型，如圖3所示，進行應力仿真，具體應力仿真條件為：1）耐久振動仿真量值。低頻段為20～300 Hz，功率譜密度為0.032 g2/Hz；高頻段為300～1000 Hz，功率譜密度為0.034 g2/Hz（量值降至30%），高頻段留有20%的安全余量，設備更安全。2）炮擊振動仿真量值（降至30%）。T1=0.013，T2=0.107，T3=0.297，P1=0.059，P2=0.073，P3=0.088，P4=0.106，留有20%的安全余量，設備更安全。3）功能沖擊仿真量值。后峰鋸齒波，加速度為20g，響應時間為11 ms。

圖3 力學模型及參考坐標系

3 有限元模型的建立

本文采用ANSYS Workbench軟件對設備機械應力進行仿真分析。

1）模型簡化。仿真過程中需要對模型進行適當簡化處理，忽略印制板上一些位置不關鍵且質量小的阻容器件，忽略零件上的圓角、倒角等特征，主要考慮關鍵部位和關鍵器件。螺釘簡化為圓柱面，本案例仿真過程中忽略預緊力對結構應力及振動模態的影響，僅考慮螺栓本身可靠連接時對設備結構的作用[3]。

2）材料賦值。仿真模型中，減震安裝架的安裝托盤、定位銷、鎖緊器材料為不銹鋼，其余零件材料為鋁合金5A06。主機機箱、插件支撐件、鎖緊條材料為鋁合金5A06，掛鉤材料為不銹鋼，印制電路板材料為FR-4，材料的力學參數如表2所示。

表2 主要材料參數表

3）施加約束。減震安裝架上的定位銷焊接在安裝托盤上，A型鎖緊器、安裝件1、安裝件2等通過螺釘連接在安裝托盤上。主機前、后面板通過螺釘安裝在主機箱體上，內部功能插件通過楔形鎖緊條鎖緊在主機箱體上，背板通過螺釘安裝在主機箱體上，掛鉤通過螺釘連接在前面板上，插件鎖緊條通過螺釘連接在插件支撐件上，插件印制板通過螺釘連接在插件支撐件上，插件印制板與背板之間通過連接器連接。

4）劃分網格。仿真模型有限元網格劃分節點數為1 203 695個，單元數為560 634個，如圖4所示。

圖4 設備有限元網格模型

5）施加載荷。設備炮擊振動、耐久振動及功能沖擊試驗譜如圖5～圖7所示，有限元模型分別按各自試驗譜曲線和指標分解的量值施加邊界載荷。

圖5 耐久振動試驗譜線圖

圖6 炮擊振動試驗譜線圖

圖7 功能沖擊試驗譜

4 力學仿真

4.1 模態分析

譜線頻率最大值為2000 Hz，因此仿真分析該設備低于2000 Hz的固有頻率值，本文采用振型疊加法，使用Lanczos法提取特征值[4]，計算設備的固有頻率及相應的振型，計算結果如表3所示。

表3 模態分析結果

4.2 耐久振動分析

以模態仿真結果為基礎，隨機振動仿真采用PSD方法進行[5]。

根據指標分解中的耐久振動量值，結合耐久振動試驗譜曲線，對設備進行3個方向（X、Y、Z）的隨機振動有限元仿真分析，經過對仿真結果分析比較，設備在Y向結構的振動響應最大，仿真結果如圖8、圖9所示。

圖8 Y向耐久振動3σ應力云圖

圖9 Y向耐久振動3σ位移云圖

由耐久振動有限元仿真結果可知，設備在Y向3σ（概率為99.73%）應力值最大達102.67 MPa，最大應力值出現在安裝件1與減震器連接的螺桿位置，低于4.6級螺栓強度標準許用應力值（245 MPa）。

設備在Y向3σ位移最大值達0.16 mm，最大位移值出現在功能插件1的PCB上，整機和PCB上的最大形變均小于0.5 mm，小形變不會引起結構件及PCB損傷、破壞。加上仿真量值比實際值高20%，可以判斷，設備最薄弱環節在此振動環境下是安全可靠的。

4.3 炮擊振動分析

以模態仿真結果為基礎，采用PSD方法進行隨機振動仿真[5]。

根據指標分解中的炮擊振動量值，結合炮擊振動試驗譜曲線，對設備進行3個方向（X、Y、Z）的隨機振動有限元仿真分析，經過對仿真結果分析比較，設備在Y向結構的振動響應最大，仿真結果如圖10～圖12所示。

圖10 Y向炮擊振動3σ應力云圖

圖11 Y向炮擊振動3σ位移云圖

圖12 螺釘、螺栓等Y向炮擊振動3σ應力云圖

由炮擊振動有限元仿真結果可知，設備在Y向3σ（概率為99.73%）應力值最大達213.44 MPa，最大應力值出現在安裝件1與減震器連接的螺桿位置，低于4.6級螺栓強度標準許用應力值245 MPa，主要零部件對應的3σ應力值如表4所示。

表4 炮擊振動主要零部件3σ應力值

設備在Y向3σ位移最大達0.33 mm，最大位移值出現在功能插件1的PCB上，整機和PCB 上的最大形變均小于0.5 mm，小形變不會引起結構件及PCB損傷、破壞。加上仿真量值比實際值高20%，可以判斷設備最薄弱環節在此振動環境下是安全可靠的。

4.4 功能沖擊分析

根據沖擊指標和沖擊試驗譜曲線，對設備進行3個軸向、6個方向的瞬態動力學有限元仿真分析。經過對仿真結果分析比較，設備在+Y向結構的沖擊響應最大，仿真結果如圖13、圖14所示。

圖13 +Y向沖擊應力云圖

圖14 +Y向沖擊位移云圖

由沖擊有限元仿真結果可知，設備在Y方向上結構的沖擊響應最大，應力值為26.45 MPa，最大應力值出現在后面板與主機箱體連接螺釘位置，低于4.6級螺栓強度標準許用應力值（245 MPa）；設備在Y向位移最大為3.7×10-3mm，最大位移值出現在功能插件1的PCB上，整機和PCB上的最大形變均小于0.5 mm，小形變不會引起結構件及PCB損傷、破壞。可以判斷設備最薄弱環節在此沖擊環境下是安全可靠的。

5 試驗驗證

由耐久振動、炮擊振動及功能沖擊的計算結果可知，設備在Y方向上的炮擊振動應力值最大，結構件的強度在該工況下安全系數最低為1.15×1.2=1.38，因此需重點驗證設備在Y方向炮擊振動條件下的抗振能力，結合試驗大綱要求，對設備開展炮擊振動試驗驗證。

圖15 設備Y向炮擊振動試驗安裝狀態圖

圖16 設備Y向炮擊振動試驗曲線

試驗結果：設備順利地通過了Y方向炮擊振動試驗驗證，并一次性通過了所有試驗項目驗證，產品性能設計達到了預期要求。

6 結語

本文以某機載通信電子設備為對象，為應對嚴酷的環境指標需求，在進行結構設計時，利用ANSYS Workbench軟件對設備炮擊振動、耐久振動及功能沖擊指標進行分析評估，確認結構方案的可行性，并通過環境試驗驗證產品設計的合理性。本文產品設計過程表明，機械應力環境指標分解合理，模型方案簡化有效，設備結構安全系數取值合理，大大縮短產品開發周期，降低研制成本，提高產品設計效率。