摘 要： 機載電子設(shè)備是飛機武器系統(tǒng)的重要組成部分，隨機振動是使其結(jié)構(gòu)失效的主要因素。為了提高機載電子設(shè)備的可靠性，基于ANSYS Workbench軟件平臺對某機載電子設(shè)備進行模態(tài)分析和隨機振動的加速度PSD模擬分析，獲得了應(yīng)力分布云圖和加速度功率譜密度響應(yīng)曲線，并在此基礎(chǔ)上通過隨機振動環(huán)境試驗對仿真分析結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明，有限元仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較吻合，說明建模與仿真的合理性，并可為下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞： 機載電子設(shè)備； 模態(tài)分析； 隨機振動分析； 飛機武器系統(tǒng)

中圖分類號： TN401?34； TP391.9 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0096?04

Analysis on ANSYS Workbench based random vibration response of a certain airborne electronic equipment

WU Famao， JIANG Long， WANG Jian， ZHU Weibing

（School of Mechanical Engineering， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： Airborne electronic equipment is an important component of the airborne weapon system， and the random vibration is a main factor of its structural failure. In order to improve the reliability of the airborne electronic equipment， the modal analysis for a certain airborne electronic equipment and acceleration PSD （power spectral density） simulation analysis for the random vibration based on ANSYS Workbench software platform are conducted to acquire the stress distribution cloud picture and acceleration PSD response curve. And on this basis， the simulation analysis results were verified by means of the random vibration environment test. The verification results show that the finite element simulating calculation result is identical with the experimental result， which proves that the modeling and simulation are reasonable. It provides a reference for further structural optimization and new design.

Keywords： airborne electronic equipment； modal analysis； random vibration analysis； airborne weapon system

0 引 言

隨著軍用電子技術(shù)的發(fā)展，機載電子設(shè)備已經(jīng)成為航空武器裝備自動化、智能化、信息化的主要因素。由于軍用機載電子設(shè)備所處的環(huán)境條件比一般電子設(shè)備更復(fù)雜與嚴(yán)酷，并且由環(huán)境因素造成設(shè)備失效率高達50%，在溫度、振動、濕度三項環(huán)境因素中，振動因素[1?2]約占27%。機載電子設(shè)備是航空武器系統(tǒng)的重要組成部分，是各種電路印制板、電子元器件及機械零部件的主要載體，其結(jié)構(gòu)的機械性能優(yōu)劣將直接影響設(shè)備中電信號傳輸以及電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

國外開展電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的振動沖擊分析較早，其理論研究也較為完善。早在1956年，Lunney和Crede根據(jù)實際環(huán)境的測試數(shù)據(jù)對電子設(shè)備進行了振動分析與疲勞分析[4]。1972年Eshleman撰寫了《Shock and Vibration Technology with Applications to Electrical Systems》一書[5]，通過對元件級的電子元器件到系統(tǒng)級的電子機箱的動力學(xué)特征進行了較為系統(tǒng)的分析研究。而我國的電子設(shè)備設(shè)計與制造行業(yè)經(jīng)歷了從仿制到自行設(shè)計的過程。由于電子技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展的較晚，國內(nèi)在電子設(shè)備動態(tài)性能研究領(lǐng)域內(nèi)的水平相對不高，國產(chǎn)電子設(shè)備的可靠性也相對較低。近些年來，伴隨相關(guān)研制項目的增多和應(yīng)用范圍的擴展，電子設(shè)備動力學(xué)分析研究開始受到工程技術(shù)人員的重視，部分專業(yè)技術(shù)和工程設(shè)計人員也都開始有針對性地對各種車輛、方艙、機柜以及不同的裝載設(shè)備等的振動特性進行了相關(guān)的理論分析和試驗測試研究。本文旨在采用有限元仿真技術(shù)對某機載電子設(shè)備模型進行模態(tài)分析與隨機振動動力學(xué)分析，并通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比，驗證了有限元仿真分析方法的有效性。

1 有限元模型的建立

由于三維實體模型比較復(fù)雜，建立有限元分析模型本文選用導(dǎo)入CAD模型法，即采用參數(shù)化建模技術(shù)，利用三維建模軟件UGNX 8.0建立該機載電子設(shè)備的CAD模型，如圖1所示。然后將其轉(zhuǎn)化為x_t文件格式導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中進行動力學(xué)特性分析。

1.1 模型簡化

模型簡化與網(wǎng)格劃分是有限元前處理一個非常重要的階段，在整個有限元分析過程中占據(jù)50%～60%的工作量，是有限元分析的核心[6]。而模型簡化的質(zhì)量將直接關(guān)系到網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量又關(guān)系到模型的分析效率、計算機的計算量和計算時間。電子設(shè)備模型是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的裝配體，結(jié)構(gòu)構(gòu)件中有承載件、非承載件和裝飾件等，在這些構(gòu)件上還有一些細小特征（圓孔、倒圓角、凹槽等），這些特征大多不是重點關(guān)注位置。如果直接對模型全部構(gòu)件進行網(wǎng)格劃分，不僅會使網(wǎng)格規(guī)模巨大，而且容易形成畸形網(wǎng)格，會導(dǎo)致計算求解時間增加甚至求解失敗。故在對功放電子設(shè)備進行網(wǎng)格劃分前需對其結(jié)構(gòu)進行必要的簡化處理，模型簡化過程中應(yīng)注意以下兩個方面：

（1） 模型簡化應(yīng)保證模型尺寸足夠準(zhǔn)確，應(yīng)盡量確保設(shè)備結(jié)構(gòu)的剛度不發(fā)生明顯變化。同時模型的主要結(jié)構(gòu)形狀必須保留，簡化后的模型要盡量與原模型保持一致，在刪除模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和比較大的構(gòu)件時，應(yīng)使用配重結(jié)構(gòu)進行替代，以保證模型剛度和質(zhì)量盡量不發(fā)生改變。

（2） 要認(rèn)真分析模型中某些細小特征。在模型構(gòu)件中有許多細小特征，如小孔、倒角、凸臺等，還有許多無關(guān)緊要的非承載件和裝飾件，如彈平墊、插槽、手柄、螺釘、標(biāo)示線纜孔等，這些特征對結(jié)果影響不大應(yīng)刪除。

1.2 網(wǎng)格劃分與約束加

網(wǎng)格劃分是有限元仿真分析中的不可或缺的一部分，網(wǎng)格的質(zhì)量對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及求解過程的收斂性至關(guān)重要，網(wǎng)格單元節(jié)點數(shù)過多會使求解時間變長，從而降低工作效率，單元數(shù)過少又會導(dǎo)致仿真計算結(jié)果的精確度過低，無法保證計算的準(zhǔn)確性。根據(jù)設(shè)備輪廓尺寸與內(nèi)部構(gòu)件尺寸大小選用不同的網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格劃分，本文模型網(wǎng)格劃分時采用四面體網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格劃分單元尺寸設(shè)置為4 mm，劃分后產(chǎn)生170 460個節(jié)點，100 698個單元。定義邊界條件為對該機載電子設(shè)備底板4個安裝凸臺上的螺栓孔的內(nèi)表面采用全約束。根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點與更能等效實際的約束情況，本次仿真在底板螺釘孔接觸建立時，采用梁單元來建立接觸，其他部件接觸的建立采用線面、面面綁定接觸，建立的有限元模型如圖2所示。

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析基本原理

模態(tài)分析是基于振動理論用于研究設(shè)備動態(tài)特性，識別設(shè)備的自振頻率特性，從而指導(dǎo)設(shè)備自身的故障診斷、性能分析與設(shè)計的一種現(xiàn)代分析方法。模態(tài)分析是在線性動力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，基于三個基本假設(shè)：線性假設(shè)、可觀測性假設(shè)和時不變性假設(shè)，來對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行模態(tài)求解。它是將無阻尼定常系統(tǒng)中的各階主振型的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成模態(tài)坐標(biāo)，并使該微分方程組解耦，讓其轉(zhuǎn)換為每個獨立的微分方程，從而求出定常系統(tǒng)的模態(tài)特性參數(shù)。模態(tài)分析也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，即在進行隨機振動分析之前必須先求解模態(tài)獲得模態(tài)參數(shù)。

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

通過ANSYS Workbench計算得到機載電子設(shè)備模態(tài)參數(shù)結(jié)果，提取前3階模態(tài)參數(shù)見表1，前2階模態(tài)振型云圖如圖3所示。

4 試驗與仿真對比分析結(jié)果

為了驗證該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，及驗證有限元仿真分析結(jié)果的正確性，故對該電子設(shè)備進行了隨機振動環(huán)境試驗，試驗控制點選在夾具與產(chǎn)品的連接點附近且采用多點平均控制，試驗地點是在某研究所的振動環(huán)境試驗室內(nèi)進行，試驗中傳感器測點位置與仿真分析中響應(yīng)探測點是基本一致的，將試驗時傳感器測得的數(shù)據(jù)與仿真分析獲得的數(shù)據(jù)運用Matlab軟件進行處理（本文只對X與Z向進行對比）后，獲得了試驗與仿真對比分析結(jié)果如圖6和表2所示。

通過上述仿真與試驗對比分析結(jié)果可以得出：

（1） 從輸入譜圖4與輸出結(jié)果圖6可以看出，激勵載荷的加速度功率譜密度曲線與傳感器采集控制點處得到的功率譜密度曲線基本是一致的，這從一個方面說明了控制譜值的正確性。從對比分析表2可以看出，仿真分析與試驗測試在最大共振峰處發(fā)生的頻率相對誤差均小于3%。從對比分析結(jié)果圖6可以看出，在中低頻階段，該電子設(shè)備在某一測點用有限元仿真分析軟件獲得加速度響應(yīng)曲線與振動環(huán)境試驗在該點處用傳感器測得加速度曲線是基本一致的，并且出現(xiàn)的波峰、波谷數(shù)量是基本相同，曲線走勢也完全吻合，共振點發(fā)生頻率值也基本一致。

（2） 從對比分析結(jié)果圖6可以看出，在高頻階段的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果有較大偏差的，這主要是因為所使用有限元仿真軟件分析模塊是基于線性假設(shè)進行計算求解的，然而實際的振動測試試驗時在高頻段會出現(xiàn)某種程度的非線性，這是試驗不可避免的，因此就很難保證仿真與試驗結(jié)果在高頻階段的一致性。

（3） 從整個對比曲線圖來看，仿真軟件分析的響應(yīng)曲線與傳感器測得的曲線在吻合程度還是有一定誤差的，致使這種誤差形成的原因主要包括以下幾點：

① 模型簡化時忽略的一些次要特征及模型修正所造成的有限元模型精度不夠。

② 模型網(wǎng)格劃分尺寸與網(wǎng)格劃分方法所引起的單元數(shù)量、節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格密度等方面精度不夠造成的誤差。

③ 設(shè)備內(nèi)部各構(gòu)件間連接方式的模擬，外部邊界條件模擬、設(shè)備整機阻尼模擬及螺釘、焊接處的等效處理等因素造成的誤差。

5 結(jié) 語

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子設(shè)備，采用有限元仿真軟件對其進行分析，能起到一個很好的預(yù)示作用。電子設(shè)備仿真分析也是后續(xù)可靠性鑒定試驗前非常有效的手段，對改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，縮短產(chǎn)品研制周期，減小實際試驗產(chǎn)品失效概率，降低產(chǎn)品研發(fā)成本，提高工作效率，實現(xiàn)人?機?環(huán)境一體化等具有重要的意義。

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