韓姣皎 李鵬程 韓鐘劍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載設(shè)備的設(shè)計(jì)趨于輕量化，設(shè)備結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，引起的可靠性問(wèn)題也隨之增多[1]。機(jī)載設(shè)備在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行姿態(tài)變化等因素引起的振動(dòng)作用[2]。 振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)疲勞損傷，當(dāng)損傷積累到一定程度時(shí)，將出現(xiàn)振動(dòng)疲勞破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[3]。因此，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)分析，確保設(shè)備結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度條件。 隨著有限單元方法的發(fā)展， 以計(jì)算機(jī)仿真作為主要手段， 為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

1 有限元建模

1.1 某機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)件由設(shè)備機(jī)箱、 側(cè)板等組成，如圖1 所示。 該設(shè)備安裝在氣密艙內(nèi)左側(cè)設(shè)備架上， 通過(guò)前緊定裝置和后緊定裝置進(jìn)行固定。 圖1中機(jī)箱側(cè)面的面內(nèi)凸起為布置在機(jī)箱側(cè)面的散熱臺(tái)，設(shè)備內(nèi)的電路板與散熱臺(tái)間安裝了具有一定彈性的導(dǎo)熱墊片，通過(guò)熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)散熱，確保設(shè)備正常使用。

圖1 某機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

1.2 建立有限元仿真模型

在實(shí)際仿真建模中，為合理化計(jì)算成本，采用忽略結(jié)構(gòu)上次要細(xì)節(jié)特征的方式，對(duì)某機(jī)載設(shè)備原模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。 本文采用ANSYS Workbench 對(duì)該簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析，機(jī)箱、側(cè)板、把手均采用實(shí)體模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后有限元模型如圖2 所示。

圖2 簡(jiǎn)化后設(shè)備有限元模型

模型中，機(jī)箱、側(cè)板、把手等主要部件均采用鋁合金材料，模型內(nèi)連接采用接觸約束模擬，把手與機(jī)箱連接處采用固定約束。

2 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性[4]，與結(jié)構(gòu)所承受的外部載荷無(wú)關(guān)。通過(guò)模態(tài)分析獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型，將結(jié)構(gòu)的固有頻率與工作頻率進(jìn)行比較，如兩者較為接近，結(jié)構(gòu)在承受載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，造成振幅增大，將縮短結(jié)構(gòu)使用壽命，影響其安全性。

采用Modal 計(jì)算方法對(duì)某機(jī)載設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析。在分析過(guò)程中，對(duì)固定邊界施加固定約束，不再額外施加載荷。 理論上設(shè)備存在無(wú)窮階數(shù)的模態(tài)振型，但在實(shí)際分析中，由于低階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響較大，隨著階次的增加影響逐漸降低，因此一般選取較低階次進(jìn)行模態(tài)分析。

本文選取前四階模態(tài)進(jìn)行分析。 其中， 第一、二、四階固有頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)均對(duì)機(jī)箱側(cè)面產(chǎn)生較大影響。 機(jī)箱側(cè)面的變形將引起導(dǎo)熱墊片壓縮量變化，增大散熱臺(tái)與電路板間的壓應(yīng)力。 若變形過(guò)大，將導(dǎo)致電路板和散熱臺(tái)間的導(dǎo)熱墊片壓縮量過(guò)大，對(duì)電路板造成不可逆的影響，損害設(shè)備安全。 因此，需合理設(shè)計(jì)電路板與散熱臺(tái)的間隙并選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱墊片。

3 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)是真實(shí)環(huán)境下設(shè)備運(yùn)輸和機(jī)載飛行過(guò)程中最常見(jiàn)的振動(dòng)類(lèi)型，具有非周期性和不可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。 其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能用確定函數(shù)表示，需用概率和統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)描述。 對(duì)設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)，本文采用加速度功率譜密度（PSD）形式施加載荷，分別沿X 軸、Y 軸和Z 軸對(duì)設(shè)備施加載荷， 加速度功率譜密度如圖3 所示， 其中第一階窄帶峰值為0.3 g2/Hz，其余窄帶峰值可計(jì)算求得。

圖3 某機(jī)載設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

依據(jù)Steinberg 提出的三區(qū)間法對(duì)設(shè)備應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析， 設(shè)備滿(mǎn)足強(qiáng)度條件的前提是3 σmax＜[σ0.2]且3 σmax＜[σ-1]，其中[σ0.2]和[σ-1]分別為材料的屈服極限許用應(yīng)力和疲勞持久極限許用應(yīng)力。 經(jīng)仿真分析可知，沿Z 軸施加載荷時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)值最大，將決定設(shè)備是否滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。 沿Z 軸的最大3σ 正應(yīng)力值為52.573 MPa，設(shè)備部件材料為鋁合金，其[σ0.2]=155 MPa，[σ-1]=155 MPa，均大于Z 軸最大響應(yīng)值，設(shè)備滿(mǎn)足強(qiáng)度條件且剩余強(qiáng)度系數(shù)約2.94，故設(shè)計(jì)較為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)載設(shè)備的力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，振動(dòng)將影響設(shè)備的安全和使用壽命。 通過(guò)建立簡(jiǎn)化的設(shè)備三維有限元模型，利用模態(tài)分析和功率譜密度對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，一方面進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，為后續(xù)試驗(yàn)提供預(yù)示；同時(shí)定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)的輕量化實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)途徑。