機載電子設備結構強度仿真與校核

郭建平，李振東，張 杰

(航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

隨著航空電子技術的不斷發展，機載電子設備對體積、重量及強度要求越來越高[1]。理論上，在相同材料的情況下，重量越輕強度越低，強度越高，重量也就比較大。因此在重量要求十分苛刻的前提下，既要滿足產品的重量要求，又要滿足結構強度要求，必須對設計產品進行強度考核，以確定其是否滿足設計要求。

在對電子設備結構進行強度考核時，最常用也是最普遍的激勵是隨機振動[2]。根據GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》的相關規定，電子設備安裝在不同類型的飛機或者同類型飛機的不同部位，其振動量值一般是不一樣的。這就要求根據機載電子設備的安裝位置確定其振動量值大小，進而考核其是否滿足設計要求。

目前進行強度考核的方法有3種：試驗、類比及仿真分析。試驗驗證效果直觀，但是一旦發現問題再改進，會導致周期長、費用高；類比驗證具有操作方便、簡單易行的優點，缺點是新研發的產品基本沒有類比的基礎，無法得出類比結果；相比之下，仿真分析驗證的方式優勢十分明顯，借助仿真分析技術，設計人員可以在產品設計過程中對產品進行強度分析，直觀地判斷強度是否滿足設計要求，不僅可避免反復多次試驗，降低資源消耗，而且可縮短開發周期，提高產品市場競爭力。

仿真分析校核雖然有很多優勢，但是要確定仿真結果是否真實、準確，必須對仿真的實物進行試驗測試，把測試的結果與分析得出的結果進行對比，進而找出分析結果與試驗結果不一致的原因，修改仿真模型、邊界條件及參數設置，逐步獲得準確的仿真結果，指導后續仿真分析。

1 仿真及校核流程

一個完整的仿真分析包括兩方面的內容：一方面是根據任務要求，選擇合適的軟件、建立模型、確定邊界條件進行仿真分析；另一方面是對進行仿真分析的產品進行試驗，把試驗結果與仿真分析結果進行比較，如果誤差過大就要修改模型、邊界條件等，直至誤差在規定的范圍之內，仿真驗證流程如圖1所示。

圖1 仿真驗證流程

具體來說，仿真實現主要流程是，按照產品狀態建立模型，并根據實際需要進行適當簡化；施加約束條件，進行模態分析，再在模態分析基礎上進行頻率響應分析，頻率響應是計算模型傳遞函數，并得到在單位載荷激勵下模型在各階頻率上的應力、加速度、位移等分布情況；然后開展隨機響應分析，隨機響應分析是在頻率響應分析的基礎上，輸入功率譜或相關譜形式的載荷，隨機響應分析計算出的是模型自身的真實應力、應變和位移等情況。通過上面的一系列的分析，得出了模型上的應變(應力)、位移、加速度的分布，可以通過試驗對這些結果進行驗證。

仿真結果試驗驗證是通過把電子設備放置于振動臺上進行振動試驗，采用相關儀器設備測試電子設備的固有頻率，以及結構的應變(應力)、變形、加速度等響應，然后把測試結果與仿真結果相比較，找出誤差原因，進而對模型、邊界條件、仿真參數等進行修正，使仿真結果與測試結果保持在一定誤差范圍內，確保仿真結果的準確性。驗證測試設備如圖2所示。

圖2 驗證測試設備

采用的驗證測試設備主要包括模態分析設備和動態信號測試分析系統。模態分析設備主要是通過綜合振動臺對電子設備掃頻，以測得其固有頻率，然后把測試結果與分析結果比較以修正模型及仿真參數。驗證采用的動態信號測試分析系統，包括應變傳感器、加速度/振動傳感器、信號調理器、數據采集器、軟件系統以及相應的記錄、存儲、轉換及顯示等輔助設備。

具體驗證方法是對電子設備結構的重點關注部位貼上相應的傳感器，以測得其應變(應力)、加速度、變形等。把通過仿真分析所得的電子設備各部位的上述結果與其相對應的測試結果進行比較，找出誤差較大的原因并進行調整，以縮小誤差至一定范圍內。

2 仿真與校核案例

某機載電子設備是飛機的通信部件，在出廠前需要進行包括環境應力篩選、高低溫、振動在內的系列試驗。其中振動試驗為隨機振動，振動圖譜如圖3所示。

圖3 試驗圖譜

該機載電子設備是安裝在專用設備上進行隨機振動試驗的，該專用設備采用鋁合金制造，其不僅是機載電子設備振動時的緊固載體，更是直接將試驗激勵傳遞給機載計算機的重要部件，如圖4所示。

為了對該專用設備進行結構強度仿真與校核，特在該專用設備上選取9個點，進行仿真和測試，選取的點如圖4所示。將該專用設備固定在振動臺上，按照圖3所示振動圖譜施加隨機振動激勵，通過安裝在9個點位的加速度傳感器和動態信號測試分析系統測試出每個點的加速度響應均方根值，如表1所示，該測試值作為仿真校核的基準值。

表1 振動實測值

圖4 試驗專用設備

在CAE仿真軟件中建立該試驗專用設備的詳細模型并賦予鋁合金材料屬性，采用四面體十節點進行網格劃分，在其與振動臺固定的圓孔一圈施加固定約束，并進行模態分析，結果如圖5所示，前10階模態分析結果如表2所示。在模態分析基礎上施加單位加速度激勵計算頻率響應，再在其基礎上計算隨機響應，計算出9個點的加速度量值，分別如圖6所示，需要說明的是根據以往經驗，在仿真時將阻尼系數設置為0.06。把仿真分析所得的量值與振動過程中實際測得的值進行比較，如表3所示。

圖5 模態分析結果

圖6 各點量值情況

表2 初次仿真后模態分析結果統計

表3 初次仿真加速度與測試值對比及誤差

從仿真與測試對比結果來看，除了個別點誤差較小外，其余大部分點誤差都比較大，需要進一步對仿真進行調整，以使誤差控制在合理范圍內。

根據機載計算機仿真經驗，為了縮小誤差，需要對模型、參數及邊界條件幾個方面進行修正。首先對網格進行了加密以提高仿真精度。其次，從仿真結果來看，仿真量值普遍偏小，可以認為阻尼系數過大，因此將阻尼系數由0.06調整至0.04。最后對約束方式進行調整，在其與振動臺固定的圓孔上部也增加固定約束。從以上3個方面進行調整后重新分析，如圖7、圖8所示，前10階模態分析結果如表4所示。3個方面調整后的仿真值和測試值對比如表5所示。

圖7 重新劃分網格及施加邊界條件

圖8 模態分析結果

表4 調整后模態分析結果

表5 調整后加速度仿真與測試值對比及誤差

從調整后的分析結果來看，調整相關參數后，誤差值大幅減小，最大誤差由39%縮小至6%；平均誤差由26%縮小至4.6%，仿真和測試結果誤差很小，仿真結果準確可信，可以作為評判機載計算機響應指標的重要依據，仿真與校核達到了預期效果。

3 結語

針對機載電子設備試驗專用設備及典型的隨機振動試驗進行了試驗對仿真結果的校核探討，校核情況表明，合適的網格精度、正確的約束條件、準確的阻尼系數對仿真結果十分重要。根據本文積累的校核經驗，可在此基礎上開展機載電子設備仿真，對其強度進行評價，指導產品研制。