郭建平， 劉治虎， 醋強(qiáng)一

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

機(jī)載計(jì)算機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法探討

郭建平， 劉治虎， 醋強(qiáng)一

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

機(jī)載計(jì)算機(jī)組成特殊、工作環(huán)境復(fù)雜，其強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法是很值得探討的問(wèn)題。結(jié)合經(jīng)典強(qiáng)度理論，提出了采用靜強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命和沖擊相結(jié)合的強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法。采用有限元分析軟件，運(yùn)用該方法對(duì)某機(jī)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)價(jià)，取得了預(yù)期的效果，為機(jī)載計(jì)算機(jī)的可靠性評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

強(qiáng)度；剛度；疲勞；固有頻率；模態(tài)

0 引言

機(jī)載計(jì)算機(jī)由印制電路板、元器件、電纜和機(jī)械結(jié)構(gòu)件等組成，是飛機(jī)的重要組成部分。機(jī)載計(jì)算機(jī)既不同于普通的機(jī)械產(chǎn)品，也不同于普通的電子產(chǎn)品，是典型的機(jī)電類(lèi)產(chǎn)品。普通的機(jī)械或電子產(chǎn)品強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法無(wú)法直接用于機(jī)載計(jì)算機(jī)的強(qiáng)度評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)方法是值得探討的問(wèn)題。

1 強(qiáng)度評(píng)價(jià)的一般方法介紹

強(qiáng)度評(píng)價(jià)一般方法包括靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)、靜剛度評(píng)價(jià)、疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面。

靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括常規(guī)設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)、極限設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)等。

靜剛度評(píng)價(jià)包括對(duì)直桿件扭轉(zhuǎn)剛度評(píng)價(jià)、受彎梁的彎曲強(qiáng)度評(píng)價(jià)、薄板受彎曲載荷作用靜剛度評(píng)價(jià)。

疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)、名義應(yīng)力疲勞壽命估算、名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)等。

2 機(jī)載計(jì)算機(jī)工作環(huán)境介紹

機(jī)載計(jì)算機(jī)所處的工作環(huán)境比較復(fù)雜，主要受到高低溫、濕熱、振動(dòng)、霉菌、鹽霧、沖擊、加速度、沙塵、噪聲等的作用。從強(qiáng)度方面來(lái)說(shuō)，主要考慮振動(dòng)、沖擊等問(wèn)題。

振動(dòng)是指物體或質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，它主要是考查設(shè)備在交變載荷作用下的工作性能和使用壽命，描述的是設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間受動(dòng)載荷的工作性能。系統(tǒng)受到瞬態(tài)激勵(lì)，其力、位置、速度或加速度響應(yīng)發(fā)生突然變化的現(xiàn)象稱(chēng)為沖擊。

振動(dòng)和沖擊造成的危害主要有以下兩種［1］：1）設(shè)備在某一激振頻率下產(chǎn)生振幅很大的共振，最終因振動(dòng)加速度超過(guò)設(shè)備所能承受的極限加速度而發(fā)生破壞?；蛘哂捎跊_擊所產(chǎn)生的沖擊力超過(guò)設(shè)備的強(qiáng)度極限而使設(shè)備破壞。2）振動(dòng)加速度或沖擊力引起的應(yīng)力雖遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料在靜載荷下的強(qiáng)度，但是由于長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)或多次沖擊使材料疲勞，從而導(dǎo)致設(shè)備破壞。

3 評(píng)價(jià)方法探討

鑒于機(jī)載計(jì)算機(jī)工作環(huán)境的特殊性，一方面要考慮電子設(shè)備中的電路板、元器件在工作過(guò)程中不能受到太大的變形和加速度，以免造成器件工作不穩(wěn)定或管腿的破壞。另一方面要考慮機(jī)載計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)件在使用過(guò)程中不會(huì)過(guò)早產(chǎn)生疲勞破壞。因此，機(jī)載計(jì)算機(jī)強(qiáng)度評(píng)價(jià)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：首先是靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)，看靜載荷下產(chǎn)品的受力分布和抵抗變形的能力情況；其次是剛度評(píng)價(jià)，一方面是看設(shè)計(jì)中是否存在局部薄弱，另一方面是看其剛度能否滿足要求，即是否能保證印制板、元器件等在使用過(guò)程中不超過(guò)耐受極限；再次是對(duì)零部件的疲勞分析評(píng)價(jià)，看在振動(dòng)環(huán)境下的疲勞壽命能否滿足系統(tǒng)要求；最后是進(jìn)行沖擊評(píng)價(jià)，以評(píng)定機(jī)載計(jì)算機(jī)在預(yù)計(jì)沖擊作用下的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1 靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)

靜強(qiáng)度分析研究構(gòu)件在靜載荷下承受載荷的能力。靜強(qiáng)度除了研究承載能力外，還包括構(gòu)件的變形情況和構(gòu)件在載荷作用下的應(yīng)力等。靜強(qiáng)度分析包括以下幾方面：

1）校核結(jié)構(gòu)是否滿足承載能力要求。其準(zhǔn)則為：若強(qiáng)度過(guò)剩較多，可以改變形狀或減小尺寸；若強(qiáng)度不足，則需要改變?cè)O(shè)計(jì)以滿足要求。

2）校核結(jié)構(gòu)的變形是否滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析和計(jì)算看變形情況能否滿足要求。

3）通過(guò)屈曲分析看桿件、板件、薄壁結(jié)構(gòu)、殼體等在載荷作用下是否會(huì)喪失穩(wěn)定。

機(jī)載計(jì)算機(jī)靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)的直觀結(jié)果是應(yīng)力，對(duì)于由脆性材料加工成的零件，可將零件的極限拉伸強(qiáng)度除以靜強(qiáng)度校核應(yīng)力得到安全系數(shù)；對(duì)于由韌性材料加工成的零件，可將材料的屈服極限除以靜強(qiáng)度校核應(yīng)力得到安全系數(shù)；以安全系數(shù)的大小判斷產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于一般航空構(gòu)件安全系數(shù)≥1.5；若有振動(dòng)問(wèn)題，則安全系數(shù)應(yīng)為2～3［2］。

3.2 剛度評(píng)價(jià)

剛度表示機(jī)械零件和構(gòu)件抵抗變形的能力。在彈性范圍內(nèi)，剛度是零件載荷與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。

1）靜剛度。靜載荷下抵抗變形的能力稱(chēng)為靜剛度。

2）動(dòng)剛度。動(dòng)載荷下抵抗變形的能力稱(chēng)為動(dòng)剛度，即引起單位振幅所需的動(dòng)態(tài)力。如果激勵(lì)變化很慢（即激勵(lì)的頻率變化遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的固有頻率），動(dòng)剛度和靜剛度基本相同。若激勵(lì)變化極快（即激勵(lì)的頻率變化遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的固有頻率），結(jié)構(gòu)變形比較小，即動(dòng)剛度比較大。當(dāng)激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí)，有共振現(xiàn)象，其動(dòng)變形可達(dá)靜載時(shí)變形的幾倍乃至十幾倍。

機(jī)載計(jì)算機(jī)的剛度設(shè)計(jì)是以保證實(shí)現(xiàn)其基本功能為基本目的。機(jī)載計(jì)算機(jī)大多時(shí)候都工作在振動(dòng)環(huán)境下，其振動(dòng)激勵(lì)頻率一般在10～2 000 Hz的寬帶范圍內(nèi)，其固有頻率一般均在此范圍之內(nèi)，因此可能發(fā)生共振，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)提高剛度，防止共振時(shí)振動(dòng)加速度過(guò)大，超過(guò)印制板、元器件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)所能承受的極限加速度而發(fā)生破壞。

3.3 疲勞評(píng)價(jià)

金屬疲勞是指材料、零構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。疲勞破壞與靜力破壞有本質(zhì)區(qū)別，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）具有局部性。疲勞破壞不牽涉到整個(gè)結(jié)構(gòu)，可通過(guò)改變某些局部設(shè)計(jì)，比如增大局部圓角、減小應(yīng)力集中等就可以大大增加疲勞壽命。疲勞破壞是對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)造成損壞的重要原因，因此對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，必須考慮其在使用過(guò)程中的疲勞破壞。

2）應(yīng)力水平低。零構(gòu)件中的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的極限拉伸強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，疲勞破壞就有可能發(fā)生。

3）脆性斷裂。疲勞經(jīng)過(guò)裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展后，最終在宏觀上表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的突然斷裂。

3.4 沖擊評(píng)價(jià)

沖擊是工程中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，它是劇烈的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，它主要評(píng)價(jià)產(chǎn)品在預(yù)計(jì)沖擊作用下的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。沖擊主要包括兩類(lèi)：一類(lèi)是基本沖擊，另一類(lèi)是墜撞安全，墜撞安全的試驗(yàn)量值一般比基本沖擊高。

沖擊作用的破壞表現(xiàn)在：1）在沖擊的瞬時(shí)，作用在設(shè)備上的慣性載荷及由此引起的個(gè)別部件中產(chǎn)生的應(yīng)力，可能超過(guò)設(shè)備允許值，致使設(shè)備破壞。2）由于多次沖擊作用形成疲勞累積，使設(shè)備強(qiáng)度極限減低。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行沖擊評(píng)價(jià)，主要是看其結(jié)構(gòu)是否能承受力、速度或加速度突然發(fā)生變化所產(chǎn)生的巨大沖擊力。

4 評(píng)價(jià)實(shí)例

某機(jī)載計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示?，F(xiàn)在按照上述方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示。

圖1 簡(jiǎn)化后的機(jī)載計(jì)算機(jī)模型

圖2 網(wǎng)格劃分后的模型

首先應(yīng)對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)。由于機(jī)載計(jì)算機(jī)重量本身就不大，靜態(tài)時(shí)無(wú)外力作用在其上，本身重力也基本不對(duì)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生太大影響，因此可以認(rèn)為靜強(qiáng)度滿足要求，所以本算例中就略去靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

其次對(duì)其進(jìn)行剛度評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出機(jī)載計(jì)算機(jī)的固有頻率，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果判斷機(jī)載計(jì)算機(jī)的剛度。模態(tài)分析結(jié)果如表1所示，其分布情況如圖3～圖5所示。

表1 某機(jī)載計(jì)算機(jī)前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖3 一階模態(tài)分析結(jié)果

圖4 二階模態(tài)分析結(jié)果

圖5 三階模態(tài)分析結(jié)果

從分析結(jié)果可以看出，該機(jī)載計(jì)算機(jī)的一階固有頻率為349.7 Hz，而一般機(jī)載計(jì)算機(jī)一階固有頻率在300 Hz左右［4］，因此該計(jì)算機(jī)的整體剛度可以滿足要求。

從模態(tài)分析結(jié)果還可以看出，一、二階模態(tài)位于機(jī)載計(jì)算機(jī)的右側(cè)蓋板上，這說(shuō)明蓋板局部剛性較差，可以適當(dāng)加強(qiáng)。

需要說(shuō)明的是，通過(guò)剛度分析只能直觀上看出模塊的剛度情況，在振動(dòng)過(guò)程中元器件能否滿足使用要求還需要進(jìn)一步通過(guò)相關(guān)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

再次進(jìn)行疲勞壽命評(píng)價(jià)，計(jì)算機(jī)載計(jì)算機(jī)在振動(dòng)過(guò)程中的受力情況，并對(duì)重要受力部件即彎角件進(jìn)行疲勞壽命分析，判斷其滿足要求的情況。機(jī)載計(jì)算機(jī)各部分應(yīng)力分布情況如圖6所示，彎角件的疲勞壽命分布如圖7所示。

圖6 機(jī)載計(jì)算機(jī)各部分應(yīng)力分布情況

圖7 彎角件壽命分布情況

將計(jì)算所得的彎角件壽命與系統(tǒng)規(guī)定的壽命相比較，在滿足一定安全系數(shù)的情況下，作為其是否滿足系統(tǒng)要求的重要指標(biāo)。

最后進(jìn)行沖擊評(píng)價(jià)，計(jì)算出在基本沖擊和墜撞安全條件下結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力，如圖8和圖9所示。

從圖 8、圖9可以看出，在基本沖擊和墜撞安全條件下，應(yīng)力分布情況基本一致，不同的是應(yīng)力大小不一樣。將結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力和結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度比較，在保證一定安全系數(shù)的情況下，判定其是否滿足使用要求。

圖8 基本沖擊下的應(yīng)力分布

圖9 墜撞安全下的應(yīng)力分布

通過(guò)以上幾個(gè)方面的綜合評(píng)價(jià)，就可以得出該機(jī)載計(jì)算機(jī)強(qiáng)度能否滿足要求的初步結(jié)論。

5 結(jié)論

結(jié)合機(jī)載計(jì)算機(jī)自身特點(diǎn)，探索了其強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法，并運(yùn)用該方法對(duì)某機(jī)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)價(jià)，取得了預(yù)期的效果，為機(jī)載計(jì)算機(jī)的可靠性評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 邱成悌，趙惇殳，蔣全興，等.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005.

［2］ 李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［3］ 季馨.電子設(shè)備振動(dòng)分析與試驗(yàn)［M］.南京：東南大學(xué)出版社，1992.

［4］ Steinberg D S.Vibration analysis for electronic equipment［M］. New York:John Wiley＆Sons，Inc，2000.

（編輯黃 荻）

Discussion on the Strength Evaluation Method for Mechanical Structure of Airborne Computer

GUO Jianping， LIU Zhihu， CU Qiangyi
（Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xi’an 710068，China）

The strength evaluation method of the airborne computer is well worth studying because of its peculiar composition and complex working condition.A new evaluation method adopting static strength,stiffness,fatigue,shock as well as classical strength theory is put forward.An airborne computer was evaluated successfully by finite element analysis software with this method which establishes foundation for the reliability evaluation of the airborne computer.

strength；stiffness；fatigue；natural frequency；normal model

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0184－03

郭建平（1981—），男，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)闄C(jī)載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析。

2014-03-03