杜天堯，甘治中，陳毓彬

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009）

0 引言

隨著電連接器的快速發(fā)展，現(xiàn)場可更換模塊（LRM）模塊化連接器的應(yīng)用越來越廣泛。在新一代通訊技術(shù)應(yīng)用的帶動下，為了提高維修性能，越來越多的通訊、商用飛機開始選用LRM模塊化連接器。目前LRM模塊化連接器系列的應(yīng)用領(lǐng)域已從航空、通訊領(lǐng)域發(fā)展到航天、兵器、船舶和電子等領(lǐng)域。LRM模塊化表面貼裝連接器系列的系統(tǒng)主要應(yīng)用在商用大飛機和四代機等大型設(shè)備上[1-4]。LRM微小型表面貼裝模塊化連接器是用于LRM模塊到背板的連接，在美國先進(jìn)的商用飛機上大量使用，其有以下幾點卓越的特點：

a）LRM模塊化連接器可現(xiàn)場快速更換模塊，傳輸速率可達(dá)3.125 Gbps，采用刷狀接觸件，插拔力輕，點位自定義等；

b）LRM模塊化連接器在系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)和功能上是相對獨立的單元，故障定位可以達(dá)到LRM一級，可以通過更換LRM模塊化連接器模塊而排除故障；

c）采用LRM、智能化的機內(nèi)自檢、二級維修體制，使維修成本大大地降低；

d）根據(jù)任務(wù)需要動態(tài)地組織LRM硬件，出現(xiàn)故障后則可進(jìn)行動態(tài)重構(gòu)，使系統(tǒng)繼續(xù)維持原有的功能，即達(dá)到容錯的目的。

1 項目背景

國內(nèi)某公司研制的LRM模塊化連接器在進(jìn)行隨機振動試驗時出現(xiàn)接觸件大于1μs的電不連續(xù)情況，中止試驗，隨后對失效產(chǎn)品進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)模塊化連接器插頭產(chǎn)品表貼端的部分引腳從折彎根部折斷，如圖1所示。

圖1 失效樣品圖

針對上述問題，為了確定LRM模塊化連接器振動試驗失效的真實原因，便于采取針對性的措施，與研制單位一起采用演繹法人工建立故障樹，從各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、排查原因。建立LRM模塊化連接器隨機振動試驗失效的模式故障樹。從設(shè)計不合理、生產(chǎn)質(zhì)量管控不合格、試驗過程損傷和振動夾具幾個方面進(jìn)行分析；通過分析，排除了設(shè)計不合理、生產(chǎn)質(zhì)量管控不合格等問題，并定位到是由于試驗振動夾具有問題所致。

本文以LRM模塊化連接器為研究對象，對現(xiàn)有夾具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗證。首先，針對仿真結(jié)果提出當(dāng)前夾具具有振動放大效應(yīng)的假設(shè)；然后，提出了兩種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對這兩種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，判斷其振動效果，從而驗證前面的假設(shè)是否成立；最后，選定一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，進(jìn)行實際操作，使得產(chǎn)品通過振動試驗。主要進(jìn)行了以下兩個方面的工作。

a）振動夾具結(jié)構(gòu)仿真

應(yīng)用仿真手段，模擬夾具在實際振動條件下的性能，為驗證夾具設(shè)計的不合理提供了可靠的依據(jù)。

b）驗證新結(jié)構(gòu)夾具的振動性能

利用ANSYS結(jié)構(gòu)仿真，計算改進(jìn)結(jié)構(gòu)夾具在當(dāng)前振動條件下的振動性能，為后續(xù)的實際試驗選定一種最可靠的方案。

2 現(xiàn)有的振動夾具分析

2.1 ANSYS有限元分析

有限元法是一種模擬計算分析近似值的方法，通過計算機協(xié)助完成。它是對連續(xù)范圍展開若干單元結(jié)構(gòu)的細(xì)密分割來計算得到求解數(shù)的近似值，是對復(fù)雜事物的結(jié)構(gòu)和問題的一種極為有效的分析手段。不少工程分析的問題，就可以利用有限元法在確定范圍條件下對其控制方程進(jìn)行模擬計算。例如：應(yīng)力應(yīng)變計算分析、振動工礦的計算分析等等[5]。

有限元法的基本思維解決方法是通過對連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，在連續(xù)結(jié)構(gòu)內(nèi)創(chuàng)建有限個單元，并且在這些分割出的單元中設(shè)置若干個節(jié)點，分割出的單元僅在節(jié)點處聯(lián)系，將連續(xù)結(jié)構(gòu)替換為這一系列單元的集合體。通過力學(xué)問題的部分變分法則創(chuàng)建有限元關(guān)系方程來計算出單元的解，進(jìn)而通過迭代的方式求出整個系統(tǒng)的近似值。

有限元分析是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是建立在計算機相關(guān)軟件的計算求解的基礎(chǔ)上的。目前公司已有的有限元分析軟件有ADINA、ANSYS和當(dāng)前在建智能制造項目的NX Nastran，本文選用ANSYS來進(jìn)行振動性能驗證。

2.2 結(jié)構(gòu)振動分析

振動分析主要是看產(chǎn)品在振動過程中最大應(yīng)力是否超出材料的屈服強度，通常而言，最大應(yīng)力的發(fā)生位置是在產(chǎn)品共振處，而共振點一般發(fā)生在物體的一階模態(tài)頻率處，因此首先要對產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)分析，找到其共振頻率。

模態(tài)分析是最基本的線性動力學(xué)分析，用于分析結(jié)構(gòu)的自振頻率特性，包括固有頻率和振型參與系數(shù)。模態(tài)分析的好處在于可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或者以特定的頻率進(jìn)行振動，工程師從中可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的，有助于在其他動力分析中估算求解控制參數(shù)。

在模擬分析中對模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，固定夾具的4個安裝螺釘位置，得出整體3 000 Hz內(nèi)的固有頻率分布如表1所示，一階固有頻率為441 Hz。本次試驗的隨機振動條件：頻率范圍為50～2 000 Hz，功率譜密度為0.2 G2/Hz，總加速度均方根值為16.4 G，得到隨機振動條件下整體的加速度均方根值分布如圖2所示，最大加速度響應(yīng)為742 m/s2，分布在夾具上部分中間位置。

圖2 原夾具的隨機振動整體加速度均方根值分布圖

表1 模態(tài)分析下原夾具前6階固有頻率分布表

為了方便判斷，在振動模型上取3個樣本點，這3個點要具有代表性，后續(xù)試驗都以此3個點為試驗比對點。通過仿真，3個樣本點的加速度響應(yīng)隨頻率的分布如圖3所示，其中，1號點響應(yīng)最大，最大加速度為1 770 m/s2；2號點的最大加速度為128 m/s2；3號點的最大加速度為316 m/s2，如表2所示。

圖3 原夾具的加速度響應(yīng)曲線圖

表2 原夾具的樣本點最大加速度一覽表

從上述數(shù)據(jù)中可以明顯地看出，取樣點的加速度響應(yīng)均超出了許用值，從而初步假設(shè)是夾具的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致振動放大，使得產(chǎn)品無法通過振動試驗，需對不同結(jié)構(gòu)的夾具展開進(jìn)一步的分析。

3 振動夾具結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

通過對原夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)夾具放大比較嚴(yán)重的原因是夾具高度比較高，且中部鏤空比較大，而且為安裝產(chǎn)品各個結(jié)構(gòu)主體面均大面積掏空進(jìn)一步降低了夾具的整體強度，導(dǎo)致距離主體結(jié)構(gòu)部位較遠(yuǎn)的部位量級被放大得厲害，因此，需從降低夾具高度、減少鏤空和增加主體結(jié)構(gòu)實體比例方面進(jìn)行方案優(yōu)化。

3.1 設(shè)計方案一

由于原夾具考慮的是通過一次振動得到3個方向的結(jié)果，上述仿真結(jié)果給出了以下假設(shè)：該方案可能會造成振動放大現(xiàn)象，因此，退而求其次，考慮一次振動得到兩個方向的結(jié)果，向上振動可以同時得到Z方向、X或Y方向的振動結(jié)果。選定3個典型樣本點，進(jìn)行仿真驗證。

在相同的振動條件下得到隨機振動條件下整體的加速度均方根值分布如圖4所示，最大加速度響應(yīng)為453 m/s2。

圖4 優(yōu)化方案一的隨機振動整體加速度均方根值分布圖

樣本點加速度響應(yīng)隨頻率的分布如圖5所示，其中，1號點的最大加速度為516 m/s2，2號點的最大加速度為713 m/s2，3號點的最大加速度為248 m/s2，如表3所示。

圖5 優(yōu)化方案一的加速度響應(yīng)曲線圖

表3 優(yōu)化方案一的樣本點最大加速度一覽表

3.2 設(shè)計方案二

該方案在權(quán)衡初始方案和方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，振動一次只得到一個方向的結(jié)果，按相同的振動條件，進(jìn)行仿真驗證，得到整體加速度均方根值分布如圖6所示，其中，最大加速度為269 m/s2，分布在最上端。

圖6 優(yōu)化方案二的隨機振動整體加速度均方根值分布圖

3個樣本點的加速度響應(yīng)隨頻率的分布如圖7所示，其中，1號點的最大加速度為206 m/s2，2號點的最大加速度為209 m/s2，3號點的最大加速度為181 m/s2，如表4所示。

表4 優(yōu)化方案二的樣本點最大加速度一覽表

圖7 優(yōu)化方案二的加速度響應(yīng)曲線圖

綜上所述，分析初始試驗不合格的隨機振動夾具，結(jié)合仿真軟件的仿真結(jié)果可以看出，相對于初始方案，方案一和方案二都能夠較好地減小振動放大，且方案二明顯地優(yōu)于方案一。由此可以確定初始方案的夾具結(jié)構(gòu)確實具有振動放大效應(yīng)，因此最終確定按方案二的振動試驗夾具進(jìn)行加工試驗，然后進(jìn)行試驗摸底，以便后續(xù)產(chǎn)品順利通過隨機振動試驗。

4 振動試驗驗證

4.1 振動夾具驗證

在振動夾具設(shè)計完成后，需對振動試驗夾具進(jìn)行驗證，針對試驗夾具的固有頻率進(jìn)行基準(zhǔn)檢查，以驗證振動夾具是否滿足要求。將振動夾具剛性安裝在振動臺上，并按要求安裝傳感器，按要求輸入振動試驗條件：頻率范圍為50～2 000 Hz，功率譜密度為0.2 G2/Hz，總加速度均方根值為16.4 G，如圖8-9所示。

圖8 振動夾具安裝圖

從圖9的振動曲線中可以看出，設(shè)計的夾具沒有出現(xiàn)振動放大效應(yīng)，振動量級在可控范圍之內(nèi)；同時從傳感器采集到的加速度基本上與仿真結(jié)果較為接近，基本滿足隨機振動試驗的要求，該振動夾具可以用于后續(xù)試驗樣品的隨機振動試驗。

圖9 振動曲線圖

4.2 試驗樣品驗證

從失效樣品的同批次樣品中抽取1套LRM模塊化連接器進(jìn)行隨機振動試驗。由于隨機振動試驗需監(jiān)測接觸件的電不連續(xù)性能，試驗前需串聯(lián)所有的接觸件，并保護(hù)好連接器接觸件尾端，然后將試驗樣品安裝在傳真設(shè)計好的振動試驗夾具中，并通過剛性安裝在振動臺面上，在振動臺面及振動夾具上安裝好傳感器，如圖10所示。

圖10 振動樣品安裝圖

試驗樣品在頻率范圍為50～2 000 Hz，功率譜密度為0.2 G2/Hz，總加速度均方根值為16.4 G的條件下，3個相互垂直的每一方向上各振動1 h，共3 h的隨機振動，試驗時監(jiān)測所有接觸件的電不連續(xù)性。試驗過程中沒有出現(xiàn)大于1μs的電不連續(xù)現(xiàn)象，試驗后檢查連接器，外觀沒有出現(xiàn)機械損傷現(xiàn)象，試驗結(jié)果合格，試驗樣品順利地通過了該項試驗。

圖11 振動樣品振動曲線

5 結(jié)束語

本文以LRM模塊化連接器振動夾具為研究對象，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿真和改進(jìn)分析。

通過對現(xiàn)有夾具的結(jié)果仿真驗證，給出了夾具具有振動放大效應(yīng)的假設(shè)，需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)驗證假設(shè)的同時對改進(jìn)的方案進(jìn)行仿真評估，使得產(chǎn)品通過振動試驗。于是提出了兩種結(jié)構(gòu)方案，通過對兩種方案的結(jié)構(gòu)仿真，驗證出改進(jìn)后的夾具都呈現(xiàn)出較好的減小振動放大的效果，從而驗證了初始夾具結(jié)構(gòu)具有振動放大效應(yīng)的假設(shè)。最后，選定了效果最好的方案二進(jìn)行加工試制，最終產(chǎn)品順利地通過振動試驗，完美地解決了問題。