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        某球載雷達(dá)電子設(shè)備的力學(xué)仿真分析

        2020-08-31 05:41:24孫明遷
        機(jī)電信息 2020年18期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)分析

        摘要:球載雷達(dá)電子設(shè)備是球載雷達(dá)的重要組成部分,其力學(xué)工作環(huán)境嚴(yán)苛,對結(jié)構(gòu)有較高的可靠性要求?,F(xiàn)基于有限元方法,通過模態(tài)分析得到固有頻率和振型;進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)和隨機(jī)振動仿真分析,得到相應(yīng)的變形和應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果,驗證了該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足力學(xué)環(huán)境的設(shè)計要求。

        關(guān)鍵詞:球載雷達(dá)電子設(shè)備;力學(xué)分析;瞬態(tài)動力學(xué);隨機(jī)振動

        0? ? 引言

        隨著材料科學(xué)和工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,浮空器應(yīng)用越來越廣泛,浮空器可搭載不同的電子設(shè)備,在預(yù)警探測、電子對抗和反恐緝私等方面都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。球載雷達(dá)電子設(shè)備作為球載雷達(dá)的重要組成部分,在制造、運輸和雷達(dá)架設(shè)等過程中,其結(jié)構(gòu)需適應(yīng)復(fù)雜嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境,如振動、沖擊等。嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境可能會導(dǎo)致電子設(shè)備內(nèi)的元器件受損或失效,造成雷達(dá)無法正常工作。因此,在產(chǎn)品研制階段,必須準(zhǔn)確評估電子設(shè)備在各種力學(xué)環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)剛強度響應(yīng)[2]。

        本文以某球載雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗設(shè)計要求為出發(fā)點,分析其試驗指標(biāo),采用ANSYS Workbench建立力學(xué)仿真模型,設(shè)置載荷和邊界條件,對其進(jìn)行模態(tài)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、隨機(jī)振動分析,對各種工況下的結(jié)構(gòu)剛度、強度進(jìn)行了分析,得到對應(yīng)的變形和應(yīng)力數(shù)據(jù),驗證該電子設(shè)備可以滿足剛強度、基頻等要求。

        1? ? 結(jié)構(gòu)有限元模型建立與力學(xué)環(huán)境條件

        1.1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元模型建立

        該球載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由殼體、底板、蓋板及內(nèi)部電子元器件等組成,其結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示,電子設(shè)備的底部兩側(cè)分別設(shè)計3個吊耳,通過吊耳孔裝配在雷達(dá)天線的基板上。

        綜合考慮仿真效率和準(zhǔn)確性,對模型進(jìn)行一定程度的簡化處理,去除殼體結(jié)構(gòu)中尺寸較小的孔、倒角、圓角等[3],對簡化后的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型。該電子設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)所采用的材料為鋁合金5A06,其彈性模量為70 GPa,泊松比為0.3,密度為2 640 kg/m3,屈服強度為155 MPa[4]。

        1.2? ? 力學(xué)環(huán)境條件

        根據(jù)設(shè)計要求,該球載雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)需承受沖擊、隨機(jī)振動等力學(xué)環(huán)境載荷的作用而不會失效,其力學(xué)試驗條件如表1、表2所示。

        2? ? 模態(tài)分析

        模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的基礎(chǔ),因此,在瞬態(tài)動力學(xué)和隨機(jī)振動仿真分析前,應(yīng)先進(jìn)行模態(tài)分析。仿真計算后,可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動響應(yīng)的影響較大,本文只列出前6階的固有頻率,如表3所示。

        由表3可知,該結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率較高,均大于500 Hz,有效避開了外部工作環(huán)境的激勵頻率,可以避免該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)發(fā)生共振損壞。該電子模塊結(jié)構(gòu)的前6階振型均為局部變形,模塊整體結(jié)構(gòu)的剛度較好。

        3? ? 沖擊仿真分析

        按照沖擊試驗的力學(xué)條件對該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析。施加載荷和邊界條件,將結(jié)構(gòu)的材料阻尼系數(shù)設(shè)置為0.03,沖擊載荷的作用時間為11 ms,為了能夠捕捉?jīng)_擊載荷作用下整個過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng),將仿真計算時間設(shè)置為20 ms。經(jīng)過仿真分析,可得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果,如表4所示。

        由表4中的結(jié)果可知,在X、Y、Z三個方向沖擊載荷作用下,X向結(jié)構(gòu)響應(yīng)最劇烈(圖2),結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大變形為4.63×10-4 mm,最大應(yīng)力為5.23×10-2 MPa。因此,該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足沖擊環(huán)境的要求,安全裕度較大。

        4? ? 隨機(jī)振動仿真分析

        采用PSD方法進(jìn)行隨機(jī)振動仿真分析,按表2中的數(shù)據(jù)設(shè)置載荷和邊界條件,分別得到X、Y、Z三個方向載荷作用下的最大變形和最大應(yīng)力,按照設(shè)計經(jīng)驗,通常按照3σ響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析(不出現(xiàn)大于此值情況的概率為99.7%),最大3σ變形云圖和最大3σ應(yīng)力云圖如圖3所示。

        綜合比較圖3結(jié)果可知,該電子設(shè)備在Y向載荷作用下隨機(jī)振動的響應(yīng)最大,最大3σ變形為2.7×10-4 mm,最大3σ應(yīng)力為0.046 5 MPa,小于材料的屈服強度,滿足隨機(jī)振動力學(xué)環(huán)境要求。

        5? ? 結(jié)語

        本文以某球載雷達(dá)電子設(shè)備為研究對象,分析力學(xué)環(huán)境載荷作用對其結(jié)構(gòu)剛強度的影響,完成了結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、瞬態(tài)動力學(xué)沖擊響應(yīng)分析、隨機(jī)振動分析,得到了沖擊響應(yīng)和隨機(jī)振動響應(yīng)的應(yīng)力和變形結(jié)果,驗證了該設(shè)備結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品抗力學(xué)環(huán)境的設(shè)計要求。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 張志富.系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)空中結(jié)構(gòu)總體設(shè)計[J].西安航空學(xué)院學(xué)報,2019,37(1):37-41.

        [2] 李科選,王美焰,孫浩,等.某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].機(jī)械與電子,2018,36(10):27-30.

        [3] 李齊兵,敬敏,張梁娟,等.某機(jī)載單元隨機(jī)振動疲勞分析[J].電子機(jī)械工程,2018,34(6):32-35.

        [4] 一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材 第2部分:力學(xué)性能:GB/T 3880.2—2012[S].

        收稿日期:2020-05-06

        作者簡介:孫明遷(1989—),男,安徽蚌埠人,碩士研究生,結(jié)構(gòu)設(shè)計師,研究方向:雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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