韓 濤，聶小華，段世慧

（中國飛機強度研究所，陜西?西安?710065）

在機載電子設(shè)備的隨機振動分析方面，現(xiàn)有文獻(xiàn)已有研究，如吳孟武等[1]分析了某星載電子設(shè)備在加速度過載、沖擊、正弦振動及隨機振動等各種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和受力情況，徐偉杰等[2]對某星載電子設(shè)備進(jìn)行了模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了隨機振動響應(yīng)分析，薄玉奎等[3]對機載電子設(shè)備接口引起諧振的情況進(jìn)行了分析，范文杰等[4]對星載電子設(shè)備有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，孫春艷等[5]提出了一種分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)阻尼下隨機振動結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法。本文參考以上研究成果，為了進(jìn)一步提高機載信號控制器的抗振性能，在隨機振動強度分析基礎(chǔ)上對設(shè)備的隔振器布置進(jìn)行對比研究，根據(jù)設(shè)備安裝尺寸，在擬定的結(jié)構(gòu)初步方案基礎(chǔ)上提取不同隔振器布局下的隔振效果，以典型位置有限元節(jié)點的振動傳遞率評估隔振器布局的隔振水平。在隨機振動分析階段對已有模型進(jìn)行了物理試驗驗證，分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，能夠達(dá)到輔助工程研發(fā)的目的，在節(jié)省物理試驗成本，提高設(shè)備研制效率方面，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1??控制器結(jié)構(gòu)方案

機載信號控制器改變了以往形式，提高了設(shè)備集成度和控制合理性設(shè)計，其內(nèi)部主要包括信號放大器、功率放大器以及信號補償傳輸裝置，外觀主要組成部分為6個面板和4個隔振器，控制器外形箱體大小為170.4mm×167.8mm×162.9mm。隔振器底座距離箱地約為28mm。設(shè)計方案包括初步設(shè)計和改進(jìn)兩套方案[6]。

結(jié)構(gòu)初步設(shè)計方案一：側(cè)向隔振器間距132.8mm，前后隔振器間距127.9mm的結(jié)構(gòu)，如圖1所示[6]。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案二：側(cè)向隔振器間距117.8mm，前后隔振器間距112.9mm的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。兩個方案結(jié)構(gòu)其的他布局完全相同。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)方案一

圖2 控制器結(jié)構(gòu)方案二

2??隨機振動分析

隨機振動分析是一種基于概率統(tǒng)計學(xué)的譜分析技術(shù)，也稱功率譜密度分析，是將時間歷程的統(tǒng)計樣本轉(zhuǎn)變?yōu)楣β首V密度函數(shù)（Power Spectral Density，PSD）。隨機振動分析中PSD記錄了激勵和響應(yīng)的均方根值同頻率的關(guān)系，因此PSD是一條功率譜密度值—頻率值的關(guān)系曲線，即載荷時間歷程。功率譜密度函數(shù)是隨機變量自相關(guān)函數(shù)的頻域描述，能反映隨機載荷的頻率成分。

有限元模型的總體坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點與結(jié)構(gòu)初步方案的數(shù)模一致，采用直角坐標(biāo)系，采用統(tǒng)一單位如下：質(zhì)量噸（t），長度毫米（mm），力牛頓（N），導(dǎo)出單位：應(yīng)力及彈性模量兆帕（1MPa，=1N/mm2=106N/m2），質(zhì)量密度（t/mm3）。信號控制器主要采用殼元建立有限元模型，按照各部件厚度和實際位置賦屬性，箱體內(nèi)部的板子采用重心位置的質(zhì)量單元模擬，母線板采用殼元模擬，母線板與側(cè)板之間采用共節(jié)點方式連接，質(zhì)量單元通過MPC與母線板以及側(cè)板連接，隔振器采用BUSH元模擬，并按隔振器各方向阻尼賦屬性?？刂破饔邢拊Ｐ凸?3529個單元，13115個結(jié)點。定義X方向為航向，Y方向為側(cè)向，Z方向為垂向，在各個方向進(jìn)行隨機振動分析時施加該方向單位載荷，在進(jìn)行某一方向的隨機振動計算時，對該方向的約束進(jìn)行釋放，對其他方向的自由度進(jìn)行約束。圖3所示為某一方向約束示意圖。

圖3 控制器模型及約束條件

3??仿真結(jié)果及對比分析

3.1??方案一 RMS 應(yīng)力云圖

對于方案一結(jié)構(gòu)的有限元模型，得出航向、側(cè)向、垂向的RMS應(yīng)力如圖4、圖5、圖6所示，應(yīng)力水平不高，最大應(yīng)力約為134.0MPa、140.0MPa、66.8MPa，滿足材料許用應(yīng)力，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在隔振器連接位置[6]。

圖4 方案一航向RMS應(yīng)力云圖

3.2??方案一 PSD 響應(yīng)曲線

對于方案一，圖7、圖8、圖9是3個方向的加速度PSD響應(yīng)曲線，虛線表示輸入點功率譜密度，輸入點GRMS值與各方向振動載荷量值一致。實線代表距離振動輸入節(jié)點較遠(yuǎn)處的PSD響應(yīng)，可以看出減振效果較為明顯。航向、側(cè)向、垂向響應(yīng)GRMS分別為5.054g、5.988g、8.302g，振動傳遞率分別為45.86%、19.29%、32.13%[6]。

圖5 方案一側(cè)向RMS應(yīng)力云圖

圖6 方案一垂向RMS應(yīng)力云圖

圖7 方案一航向PSD響應(yīng)曲線

圖8 方案一側(cè)向PSD響應(yīng)曲線

圖9 方案一垂向PSD響應(yīng)曲線

3.3??方案二 RMS 應(yīng)力云圖

對于方案二結(jié)構(gòu)的有限元模型，得出航向、側(cè)向、垂向的RMS應(yīng)力如圖10、圖11、圖12所示，應(yīng)力水平不高，最大應(yīng)力約為131.0MPa、136.0MPa、58.5MPa，滿足材料許用應(yīng)力，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在隔振器連接位置?？梢钥闯觯桨付Y(jié)構(gòu)的隔振器位置分析結(jié)果應(yīng)力變化不大，總體而言兩方案均滿足材料許用應(yīng)力。

圖10 方案二航向RMS應(yīng)力云圖

圖11 方案二側(cè)向RMS應(yīng)力云圖

圖12 方案二垂向RMS應(yīng)力云圖

3.4??方案二 PSD 響應(yīng)曲線

對于方案二，圖13、圖14、圖15是3個方向的加速度PSD響應(yīng)曲線，虛線表示輸入點功率譜密度，輸入點GRMS值與各方向振動載荷量值一致。實線代表距離振動輸入節(jié)點較遠(yuǎn)處的PSD響應(yīng)，可以看出減振效果較為明顯。航向、側(cè)向、垂向響應(yīng)GRMS分別為5.643g、5.823g、8.182g，振動傳遞率分別為51.16%、18.75%、31.65%。

圖13 方案二航向PSD響應(yīng)曲線

圖14 方案二側(cè)向PSD響應(yīng)曲線

圖15 方案二垂向PSD響應(yīng)曲線

4??結(jié)論

針對本文提出的以隨機振動分析對機載信號控制器隔振器布置進(jìn)行對比研究，得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)物理試驗選取的典型部位節(jié)點的振動傳遞率較低，該量值可以衡量結(jié)構(gòu)在隔振器從輸入到輸出端的振動傳遞效率，兩個方案結(jié)構(gòu)的減振效果均非常明顯。

（2）隨機振動分析結(jié)果表明，該信號控制器結(jié)構(gòu)具有較高的強度裕度，在隔振器布置位置上方案一在航向隔振效果更好，方案二在側(cè)向和垂向隔振效果更好。

（3）從PSD響應(yīng)曲線可以看出，在分析頻段內(nèi)輸出曲線在輸入曲線下方，個別頻率出現(xiàn)放大，導(dǎo)致總均方根較大，這是由于在沿著隨機振動輸入方向的點在該方向的輸入頻率與模態(tài)一致導(dǎo)致的。

（4）該隨機振動仿真分析方法可以解決同類產(chǎn)品在工程中常見的隨機振動問題，其分析結(jié)果可以輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，為設(shè)備結(jié)構(gòu)選型和定型提供參考。