某機載電子設備的抗振能力分析

金恒林

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

隨著國防科技工業的飛速發展機載電子設備的集成化程度不斷提高，設備功能也日趨復雜，電子設備在使用過程中不可避免的受到各種機械力，如振動沖擊及離心力的等，尤其是機載環境條件，例如戰機完成特殊飛行動作過程、戰機起飛或巡航等，機載電子設備必須能長期承受復雜振動和沖擊載荷帶來的考驗，同時，因戰機自身重量指標嚴格內部空間有限，對于機載電子設備體積和重量均有嚴苛的要求，則需要通過機載電子設備設計過程中對設備進行良好的可靠性分析以滿足小型化輕量化的設計要求。本文針對某機載電子設備適裝平臺的嚴酷環境適應性要求，首先開展設備結構設計然后基于ANSYS Workbench對設備的抗振性能進行仿真分析，再通過振動試驗以驗證設備結構設計方案能否滿足機載環境適應性要求。

1 結構組成

某機載電子設備主要由安裝接口板、功能模塊、散熱器、風機、對外接口組成，如圖 1所示，安裝接口板上均布有16個M5螺紋孔用于設備裝機使用，風機通過小型隔振器安裝于散熱器上。由于此電子設備振動條件嚴酷，因此對設備內部全部進行加固設計，為減輕機載電子設備重量，同時兼顧使用要求，所有金屬結構件均采用鋁合金5A06，設備內部全部選用不銹鋼緊固件，總重量大約為3.5 kg。機載電子設備采用的材料和參數如表 1所示。

表1 材料及其性能參數

圖1 某機載電子設備結構組成示意圖

2 耐久振動分析

某機載電子設備耐久振動形式為隨機振動，隨機振動是最常見的非確定性振動形式之一，其具有波形不確定性、幅值和相位變化不可預知性等特點，通常采用均值、方差、功率譜等統計分析方法[1]。隨機振動分析是采用功率譜密度作為輸入激勵以確定響應出現特征值的概率大小的頻域分析方法，在工程計算中，通常被假定材料的物理性是各向同性的，物理過程為線性、平穩，滿足高斯分布類型[2]。

2.1 耐久振動試驗條件

某機載電子設備功能振動試驗條件根據GJB 150.16A《軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗》中規定典型噴氣式戰斗機頻譜曲線確定，如圖 2所示。

圖2 噴氣式飛機外掛設備振動頻譜

根據要求某機載電子設備耐久振動量級W1=0.03、W2=0.18，f1=300 Hz、f2=1 000 Hz，耐久振動時間為每方向10h。

2.2 有限元模型

分析時對設備模型進行合理簡化。由于研究對象為設備本身結構件，風機采用隔振安裝，所以對風機進行等效重量處理，并且忽略設備不重要倒圓和倒角以及連接孔處的螺紋，有影響的特征進行詳細建模。基于ANSYS Workbench對設備簡化模型進行自適應網格劃分，生成341 807個節點和175 764個單元。對設備安裝螺釘位置圓孔處施加全位移約束。

螺釘安裝位置采用Beam單元模擬，在安裝板上16處安裝孔裝置位置施加全位移約束。

2.3 模態分析

模態分析主要用于求解結構的固有頻率和分析相應的振型，模態分析結果是檢驗其結構合理性、安全性的重要指標，是后續分析的基礎。耐久振動分析中施加的振動譜頻率范圍為（15~2 000）Hz，提取該機載電子設備耐久振動仿真的前6階模態，前6階固有頻率值，如表2所示，仿真分析結果表明，設備固有頻率較高，整體剛度較好，前6階模態主要表現為天線整體擺動變形。前6階模態分析結果如圖 3所示。

圖3 設備前6階模態分析結果

表2 模態分析結果

2.4 耐久振動響應結果分析

三個方向隨機振動分析結果響應如圖 4~6、表 3~5。

圖4 航向的振動響應結果

表3 航向的振動響應結果

航向振動響應結果如圖 5和表 3所示。側向振動響應結果如圖 5和表 4所示。側向振動響應結果如圖 6和表 5所示。

表5 垂向的振動響應結果

圖6 垂向的振動響應結果

表4 側向的振動響應結果

圖5 側向的振動響應結果

鋁合金5A06的屈服強度160 MPa，從分析結果可以看到，結構在所給隨機振動條件下發生的最大應力響應為118.9 MPa，小于材料的疲勞極限應力，所以結構件出現破壞概率比較小，能夠承受在機載環境中產生的隨機振動載荷。

3 驗證試驗

對機載電子設備耐久振動存在的破壞風險主要有兩種：

1）在某一高量級激振頻率下機載電子設備出現共振現象，最終因振動引起結構件內應力超過設備材料強度極限而破壞；

2 )在長期的振動或多次反復沖擊載荷作用下造成機載電子設備材料疲勞破壞。

由于耐久振動試驗條件的嚴苛性，三個方向振動量級均超過20 g，每個方向考核時間為10 h，振動頻率最2 000 Hz，根據高斯三區間法[3]結合仿真分析數據計算某機載設備出現疲勞破壞概率極小，但是為了保障設備的可靠性，使其適應飛機的各種振動、 沖擊環境，且考慮到仿真分析與實際情況存在一定偏差，則采用振動試驗驗證，以確保設備安全可靠。

3.1 試驗安裝

某機載電子設備通過16處M5裝機螺紋孔安裝于專用振動夾具上，再將振動夾具固定于振動試驗臺上，航向和側向試驗安裝于水平振動試驗臺，垂向試驗安裝于垂向振動試驗臺，耐久振動試驗順序為：航向→側向→垂向，安裝圖如圖 7所示。

圖7 振動試驗安裝

3.2 試驗控制曲線

航向、側向和垂向耐久振動試驗控制和檢測頻譜分別如圖 8所示。

圖8 航向耐久振動試驗頻譜

3.3 試驗結果

受試樣品按試驗條件的要求分別完成了10 h耐久試驗，受試件所有結構件無破壞，并且試驗全過程監測風機和散熱器殼體上響應，試驗后加電檢測風機能正常轉動，證明風機和風機隔振器完好。響應監測曲線如圖 9所示。

圖9 風機和散熱器殼體響應監測曲線圖

4 結論

針對某機載電子設備，采用振動仿真分析和振動試驗的方法探究了其抗振能力滿足設備使用要求，完成主要工作如下：

1）模態分析結果顯示某機載電子設備固有頻率較高，整體剛度較好，前6階模態主要表現為天線整體擺動變形；

2）分析了結構在所給隨機振動條件下發生的最大應力響應為118.9 MPa（側向耐久振動時），小于材料的疲勞極限應力，所以結構件出現破壞概率比較小，能夠承受在機載環境中產生的隨機振動載荷，結構有足夠的動態承載能力；

3）通過耐久振動試驗驗證某機載電子設備結構件無破壞，且風機和風機隔振器完好。

圖9 風機和散熱器殼體響應監測曲線圖