朱國征，周智勇，葉 明

(上海微波設備研究所，上海 201802)

機載吊艙端部天線結構件抗振強度研究

朱國征，周智勇，葉 明

(上海微波設備研究所，上海 201802)

機載吊艙使用環(huán)境惡劣，尤其在飛機飛行過程中，復雜的振動環(huán)境對艙體及吊艙內(nèi)電子設備結構強度都有嚴格的要求。由于吊艙通常很長，位于吊艙兩端的結構件距離掛點位置較遠，將承受放大3～6倍的振動載荷。針對某機載吊艙端部天線組件內(nèi)波導同軸轉換結構的斷裂問題，進行耐久振動仿真與試驗，得出波導同軸轉換結構無法承受放大量級的耐久振動，發(fā)生疲勞斷裂是必然的。采用局部加固斷裂結構外圍強度的方式，改進整體天線結構，并再次進行振動仿真與試驗，最終驗證滿足設計要求。

吊艙；耐久振動；振動放大

0 引 言

軍用飛機的電子設備吊艙是近20年來發(fā)達國家積極研制并已投入使用的一種高科技武器裝備。21世紀后，我國才開始研發(fā)這類裝備并裝備部隊，目前艦載機對機載吊艙的需求尤其突出，但對吊艙及吊艙內(nèi)部組件結構強度要求也越來越高[1]。機載電子吊艙通常懸掛于飛機機腹或機翼下方，是一種相對獨立的電子設備，具有裝載平臺機動、靈活、快速的特點。但是由于掛載飛機超音速飛行于惡劣環(huán)境，因此要求吊艙本身具有體積小、重量輕、獨立工作、抗振性能好、對載機的要求低等特點[2-3]。

吊艙在工作時受到的振動主要來自兩部分:一部分來自戰(zhàn)斗機，包括飛機發(fā)動機組工作產(chǎn)生的振動，飛機航線、速度、高度、姿態(tài)的急劇變化產(chǎn)生的振動，各種大氣現(xiàn)象和空氣動力現(xiàn)象顫振、擾流、抖振引起的振動，相對光學載荷窗口的空氣流動和低頻熱動力現(xiàn)象引起的振動等;另一部分來自吊艙自身，包括內(nèi)部載荷、調(diào)整機構等工作時引起的振動，載荷框架搖擺產(chǎn)生的振動，載荷重心不固定產(chǎn)生的振動等[4]。位于吊艙兩端的天線組件由于遠離吊艙懸掛點，既要滿足天線覆蓋范圍的要求，又要承受較大量級的振動響應，通常要重點設計。

本文針對某機載吊艙端部天線組件內(nèi)波導同軸轉換結構(簡稱同軸件)的斷裂問題，使用ANSYS workbench軟件進行耐久振動仿真計算，分析同軸件處的加速度響應放大情況與應力大小，診斷故障原因，改進結構設計，并通過仿真和試驗驗證，有效解決故障問題，為機載吊艙電子設備的結構設計提供參考和指導建議。

1 同軸件的位置與結構形式

機載電子吊艙由艙體、艙內(nèi)電子設備兩大部分組成，艙內(nèi)電子設備與艙體采用剛性固定連接，密閉安裝于吊艙內(nèi)腔中，保證安全和電磁兼容性。圖1為某型機載吊艙外形及天線安裝示意圖，天線組件位于吊艙的距離掛點位置很遠的兩端天線罩內(nèi)。

圖2所示為天線組件的同軸件安裝位置與斷裂口面，可以看出同軸件所在的喇叭天線安裝于支架最上端，當外界振動由安裝底面?zhèn)鬟f到天線組件時，振動響應會存在一定放大，使天線存在一定安全隱患。由斷面的形狀可以推斷，同軸件的損壞是由于振動時無規(guī)律的周期載荷，同軸件發(fā)生了疲勞破壞，先是裂紋擴展，最終斷裂破壞。

天線組件結構中天線選用的材料為6063-T4和6061-T6，天線支架各零件選用的材料為6061-T651，而基于電訊性能要求，同軸件的材料為LF21防銹鋁，但由于LF21材料本身強度低和必須進行回爐釬焊處理，其屈服強度遠低于6061和6063。因此，同軸件的結構強度需要重點研究分析。

為深入研究同軸件發(fā)生斷裂的損壞方式為極限損壞還是疲勞破壞，將同軸件材料進行了了成分鑒定和機械性能測試。表1為LF21防銹鋁化學成分，各化學成分及含量符合產(chǎn)品要求。根據(jù)上海材料研究所的拉伸試驗，計算得到同軸件材料的屈服強度為35～43 MPa，抗拉極限強度為97～113 MPa。

表1 變形鋁及鋁合金化學成分(GB/T 3190-1996)

2 試驗與仿真條件

根據(jù)吊艙結構排布特點，斷裂同軸件距離掛點位置約1.5 m，前天線罩與前艙段相當于懸臂結構。當飛機機翼的振動傳遞到吊艙艙體時，端部天線罩內(nèi)的振動放大3～6倍。表2為此吊艙振動試驗時各測點的加速度響應總均方根值。

表2 各測點的加速度響應總均方根值

A1～A12代表不同的測點，其中A1～A4的平均值為加載加速度，RYY、RYG、RYCJ、RZY、RZG分別代表Y方向隨機振動預試驗、Y方向隨機振動功能試驗，Y方向代替沖擊隨機振動試驗、Z方向隨機振動預試驗和Z方向隨機振動功能試驗。由表2可以得出，吊艙在不同位置處的加速度響應放大各不相同。由于天線罩的弧面結構和吊艙密閉的要求，此試驗測點并無兩端天線罩處的測點，距離端部天線0.8 m的測點位置在RZG試驗中的放大量級已達到2倍。

根據(jù)設備試驗大綱要求，端部天線組件的功能和耐久振動試驗量值單獨給定，如表2所示的3個方向耐久性振動試驗參數(shù)，振動量值遠大于吊艙整艙的振動試驗量值。由表3可以看出，同軸件的耐久振動頻率范圍20～2 000 Hz，如此寬的頻帶范圍內(nèi)，不可避免要經(jīng)歷天線組件的多個模態(tài)點。

表3 耐久性振動試驗參數(shù)

3 改進前仿真與試驗

當同軸件出現(xiàn)斷裂故障后，根據(jù)天線組件的結構形式和斷裂口面形貌，有必要分析研究同軸件所在天線處的振動放大量級。對天線組合整體進行X、Y2個方向的振動試驗，如圖3所示。X方向代表與航向方向一致的方向，Y方向代表吊艙縱向方向振動。并且，在圖3所示的位置安裝2個加速度傳感器，J1位于受到破壞的同軸件天線位置附近，用于采集同軸件天線的振動加速度響應；J2位于稍微高于振動臺面的位置，用于采集支架底座處的振動加速度響應。

耐久振動加速度響應曲線如圖4所示，圖4(a)為振動臺面的振動曲線，其加速度均方根為10g；圖4(b)為X方向振動時的加速度響應曲線，J1點的加速度均方根為29.7g，J2點的加速度均方根為15.7g；圖4(c)為Y方向振動時的加速度響應曲線，J1點的加速度均方根為79.6g，J2點的加速度均方根為35.7g。由此可得，在X向耐久振動試驗時，在同軸件天線附近加速度放大3倍；在Y向耐久振動試驗時，在同軸件天線附近的加速度放大7.6倍?？梢娂铀俣确糯笄闆r與振動方向、結構形式、安裝位置都有關系。對比圖4(b)和圖4(c)2個方向的振動響應曲線，明顯在Y方向振動時共振頻率點比較明顯，這是由于安裝固定方式和支架結構形式造成的。

為驗證使用workbench軟件進行機械設備隨機振動的可行性，將耐久試驗參數(shù)加載到天線組件三維模型，并賦予相對應的材料屬性，進行振動仿真分析計算。分別得到X、Y、Z3個方向下天線組件耐久振動時，同軸件的應力仿真云圖，如圖5所示。表4為3個方向下耐久振動時，最大應力值與放大后的加速度均方根值。

表4 同軸件最大應力及放大后的加速度均方根值

對比試驗采集加速度放大與仿真加速度放大情況，放大倍數(shù)十分接近，驗證此仿真模型的建立和計算方法可以用于模擬分析同軸件的最大應力情況。

在上述仿真分析的2種試驗狀態(tài)下，同軸件上最大點的應力值已達到37.9 MPa，接近屈服極限35～43 MPa，而遠小于材料抗拉極限強度97 MPa，可斷定同軸件的斷裂屬于耐久振動試驗造成的疲勞破壞，在吊艙長時間掛飛使用時，存在安全風險。

4 改進后仿真與試驗

根據(jù)耐久振動試驗與仿真分析，可以采用加固天線組件整體的方式降低斷裂同軸件天線的加速度響應載荷，以保護天線。但這種方式必然增加天線組件的整體重量，相應地也會對吊艙整體結構強度提出更高的要求，不符合吊艙設計原則。因此，本文采用局部加固同軸件外圍強度的方式，減小同軸件承受的最大應力。在同軸件法蘭兩側增加U型支撐件，支撐件分別與2個法蘭進行螺紋連接，以減小同軸件上的受力，具體結構形式如圖6所示，同軸件及天線、天線支架的其他結構形式均無需改動。

對安裝加固同軸件的天線組件進行耐久振動仿真分析計算，圖7為天線組件X、Y、Z3個方向下隨機振動時，同軸件的應力分布圖。

由圖7的同軸件應力云圖可以得出，相同條件下，加固后的同軸件最大應力僅為16.8 MPa,遠小于材料的屈服極限，安全系數(shù)接近2。

再次將批量安裝加固同軸件的天線組件進行耐久振動試驗和沖擊試驗，均未出現(xiàn)同軸件斷裂的故障，又挑選2個同軸件進行了X光探傷，也未發(fā)現(xiàn)任何微裂紋，同軸件的探傷圖如圖8所示。完成耐久振動試驗后的天線組件交由電訊設計進行天線電性能檢測，與振動前數(shù)據(jù)比對后，均沒有變化，說明加固后的同軸件強度滿足設備使用要求。

5 結束語

(1) 采用AnsysWorkbench 仿真軟件可較方便地進行電子設備隨機振動仿真，預先判斷結構薄弱環(huán)節(jié)和振動放大區(qū)域；

(2) 通過最直接、最簡單的方式加固斷裂同軸件，避免局部改動對整體吊艙結構強度的影響；

(3) 通過振動仿真與試驗采集比對的方式，驗證了對機載電子設備仿真分析的可行性，為減少機載電子設備結構件設計冗余提供了技術支持。

[1] 甘至宏.光電吊艙內(nèi)框架減振系統(tǒng)設計[J].光學精密工程，2010，18(9):2036-2043.

[2] 陸陽，肖秋楓，張建強.通用電子對抗干擾吊艙關鍵技術研究[J].中國電子科學院學報，2008(3):451-454.

[3] 莊昕宇，陳兆兵.圓柱形大尺寸機載吊艙技術分析[J].光機電信息，2011,28(4):32-38.

[4] 劉家燕，程志峰，王平.機載光電吊艙橡膠減振器的設計與應用[J].中國機械工程,2014,25(10):1308- 1312.

ResearchintoVibrationStrengthofAntennaStructurePartsatTopofAirbornePod

ZHU Guo-zheng,ZHOU Zhi-yong,YE Ming

(Shanghai Research Institute of Microwave Equipment,Shanghai 201802,China)

Airborne pods are used in harsh environment,especially during the aeroplane flying process,the complex vibration environment puts forward strict requirements for the structure strength of pod and the electronic equipments in the pod.Usually,the pod is very long,so the structure parts which is far away from the hanging position dues 3～6 times of vibration load.Aiming at the breaking problem of wave-guide coaxial conversion structure in antenna module at top of a certain airborne pod,this paper performs the durable vibration simulation and experiment,educes that the wave-guide coaxial conversion structure can't endure the amplified durable vibration,the fatigue fracture should occur inevitably,adopts the mode reinforcing the peripheral strength of fracture structure partially to improve the whole antenna structure,and performs the vibration simulation and experiment again,finally validates that it can satisfy the design requirements.

pod;durable vibration;vibration amplification

2017-06-22

TN823

A

CN32-1413(2017)06-0104-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.024