劉麗平

（中國電子科技集團(tuán)公司第33研究所，太原030006）

1 引言

電子設(shè)備機(jī)箱作為重要電子元器件的重要載體，對于電子設(shè)備的壽命和工作效率發(fā)揮著重要作用，特別是車載軍用電子設(shè)備機(jī)箱由于其惡劣的使用環(huán)境和工況，對這類機(jī)箱必須具有質(zhì)量輕、散熱好、工作穩(wěn)定可靠等要求。因此，這就決定了設(shè)計人員在電子設(shè)備機(jī)箱的設(shè)計中要多方面考慮，其中車載電子設(shè)備機(jī)箱的隨機(jī)振動分析是必須要進(jìn)行的分析之一。由于理論計算的限制，這類機(jī)箱結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性的研究大部分依靠經(jīng)驗和測試手段獲得，這種設(shè)計方法成本高、周期長且存在不確定因素，不易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化。因此本文采用仿真軟件對電子設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行隨機(jī)振動分析并以該機(jī)箱壁厚為設(shè)計變量，質(zhì)量減少為目標(biāo)函數(shù)，隨機(jī)振動下應(yīng)力和位移滿足要求為約束條件進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計。

2 動力學(xué)特性分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)有資源和實(shí)際需求，為合理化時間和計算成本，通過忽略結(jié)構(gòu)上次要細(xì)節(jié)特征，去掉非承載件和修飾件，印制板元件去掉細(xì)小特征，并等效為均質(zhì)質(zhì)量塊等方式對機(jī)箱原模型進(jìn)行簡化，簡化后機(jī)箱內(nèi)部的CAD模型見圖1。注意在模型建立過程中使用ANSYS自帶的建模工具進(jìn)行建模，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，在這里選擇機(jī)箱四周壁厚值（H1,H2,V1,V2）作為優(yōu)化設(shè)計變量。

圖1 電子機(jī)箱CAD模型

采用ANSYS Workbench對該車載電子機(jī)箱進(jìn)行有限元分析，機(jī)箱內(nèi)包含印制板1和印制板2，2塊印制板均通過楔形鎖緊機(jī)構(gòu)固定于機(jī)箱內(nèi)部，機(jī)箱的材料為鋁合金2A12,印制電路板材料為FR-4,楔形鎖緊裝置為鋁合金6063。分別在軟件中進(jìn)行材料屬性設(shè)置。

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有的振動特性，是自己本身的特性，與外部載荷無關(guān)，模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，是進(jìn)行隨機(jī)振動分析的基礎(chǔ)。

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的運(yùn)動控制方程[1]：

其中[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；{U}為位移矢量；｛F(t)｝為力矢量；為速度矢量；為加速度矢量。

假設(shè)為自由振動，無阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，其動力學(xué)問題的運(yùn)動方程為：

假設(shè)為簡諧振動，即位移為正弦函數(shù)，其動力學(xué)問題的運(yùn)動方程為：

模態(tài)分析步驟[2]：①建立模型；②選擇分析類型模態(tài)分析；③施加邊界條件和求解；④查看結(jié)果。根據(jù)實(shí)際情況，分析了該機(jī)箱的前十二階模態(tài)振型，頻率列表見圖2。

圖2 頻率列表

2.3 隨機(jī)振動分析

車載電子設(shè)備機(jī)箱的振動不是單個現(xiàn)象，而是大量現(xiàn)象的集合。這些現(xiàn)象似乎是雜亂的，但從總體上看任有一定的統(tǒng)計規(guī)律，因此，隨機(jī)振動雖然不能用確定性函數(shù)描述，卻能用統(tǒng)計特性來描述。在隨機(jī)振動問題中就只能確定輸出和輸入之間的統(tǒng)計特性關(guān)系。輸入結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有模態(tài)；輸出1б位移和應(yīng)力能夠用于疲勞壽命預(yù)測；加載單點(diǎn)激勵施加于所有地面單點(diǎn)PSD激勵；求解相對或絕對1б結(jié)果輸出；結(jié)果輸出1б位移和等效應(yīng)力。

表1 輸入固有頻率和功率譜

圖3 橫側(cè)軸位移

圖4 縱向軸位移

圖5 垂直軸位移

圖6 等效應(yīng)力

3 優(yōu)化設(shè)計

車載電子設(shè)備在滿足可靠性能的前提下，質(zhì)量最小化作為軍用電子機(jī)箱設(shè)計指標(biāo)之一，因此在滿足GJB150.16-86中輪式戰(zhàn)斗車環(huán)境隨機(jī)振動條件下最大等效應(yīng)力值和位移作為表征量，也即約束條件為PSD最大等效應(yīng)力σmax（H16，H17，V18，V19）≤1MPa，同時上述設(shè)計變量壁厚的初始值設(shè)定為3。根據(jù)描述，以質(zhì)量最小為控制目標(biāo)函數(shù)，機(jī)箱壁厚度為設(shè)計變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計變量數(shù)值來取得。可知優(yōu)化目標(biāo)為整機(jī)質(zhì)量M極小化。

根據(jù)前述描述機(jī)箱優(yōu)化設(shè)計屬于多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計，選擇DX模塊提供的GDO（Goal driven optimization）對上述問題進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計變量值，提取樣本見圖7，計算每個樣點(diǎn)的響應(yīng)結(jié)果，利用二次插值函數(shù)構(gòu)造設(shè)計空間的響應(yīng)面或曲線，最終基于響應(yīng)面給出優(yōu)化結(jié)果。可以定出需要求解的設(shè)計重點(diǎn)，使用最有效的方式得到最佳化結(jié)果見圖8中結(jié)果CandidateA。

圖7 優(yōu)化樣本

圖8 優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)語

對車載電子設(shè)備機(jī)箱的隨機(jī)振動進(jìn)行有限元分析，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對該設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

①分析了該機(jī)箱的前十二階模態(tài)，發(fā)現(xiàn)印制電路板1和印制電路板2是設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，屬于易發(fā)生共振，設(shè)計時需避免。模態(tài)分析得到的振型和頻率，為機(jī)箱剛度的提高和減振設(shè)備的設(shè)計提供依據(jù)。

②優(yōu)化后，在PSD最大等效應(yīng)力和位移不增大的前提下，該機(jī)箱整體質(zhì)量減輕6.25%，效果明顯。

③隨機(jī)振動分析和優(yōu)化，為實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計提供依據(jù)，減少設(shè)計成本和設(shè)計周期。隨著整體建模技術(shù)的發(fā)展系統(tǒng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高。