金恒林

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

隨著國防科技工業(yè)的飛速發(fā)展機(jī)載電子設(shè)備的集成化程度不斷提高，設(shè)備功能也日趨復(fù)雜，電子設(shè)備在使用過程中不可避免的受到各種機(jī)械力，如振動沖擊及離心力的等，尤其是機(jī)載環(huán)境條件，例如戰(zhàn)機(jī)完成特殊飛行動作過程、戰(zhàn)機(jī)起飛或巡航等，機(jī)載電子設(shè)備必須能長期承受復(fù)雜振動和沖擊載荷帶來的考驗，同時，因戰(zhàn)機(jī)自身重量指標(biāo)嚴(yán)格內(nèi)部空間有限，對于機(jī)載電子設(shè)備體積和重量均有嚴(yán)苛的要求，則需要通過機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計過程中對設(shè)備進(jìn)行良好的可靠性分析以滿足小型化輕量化的設(shè)計要求。本文針對某機(jī)載電子設(shè)備適裝平臺的嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性要求，首先開展設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計然后基于ANSYS Workbench對設(shè)備的抗振性能進(jìn)行仿真分析，再通過振動試驗以驗證設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能否滿足機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求。

1 結(jié)構(gòu)組成

某機(jī)載電子設(shè)備主要由安裝接口板、功能模塊、散熱器、風(fēng)機(jī)、對外接口組成，如圖 1所示，安裝接口板上均布有16個M5螺紋孔用于設(shè)備裝機(jī)使用，風(fēng)機(jī)通過小型隔振器安裝于散熱器上。由于此電子設(shè)備振動條件嚴(yán)酷，因此對設(shè)備內(nèi)部全部進(jìn)行加固設(shè)計，為減輕機(jī)載電子設(shè)備重量，同時兼顧使用要求，所有金屬結(jié)構(gòu)件均采用鋁合金5A06，設(shè)備內(nèi)部全部選用不銹鋼緊固件，總重量大約為3.5 kg。機(jī)載電子設(shè)備采用的材料和參數(shù)如表 1所示。

表1 材料及其性能參數(shù)

圖1 某機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 耐久振動分析

某機(jī)載電子設(shè)備耐久振動形式為隨機(jī)振動，隨機(jī)振動是最常見的非確定性振動形式之一，其具有波形不確定性、幅值和相位變化不可預(yù)知性等特點，通常采用均值、方差、功率譜等統(tǒng)計分析方法[1]。隨機(jī)振動分析是采用功率譜密度作為輸入激勵以確定響應(yīng)出現(xiàn)特征值的概率大小的頻域分析方法，在工程計算中，通常被假定材料的物理性是各向同性的，物理過程為線性、平穩(wěn)，滿足高斯分布類型[2]。

2.1 耐久振動試驗條件

某機(jī)載電子設(shè)備功能振動試驗條件根據(jù)GJB 150.16A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗》中規(guī)定典型噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)頻譜曲線確定，如圖 2所示。

圖2 噴氣式飛機(jī)外掛設(shè)備振動頻譜

根據(jù)要求某機(jī)載電子設(shè)備耐久振動量級W1=0.03、W2=0.18，f1=300 Hz、f2=1 000 Hz，耐久振動時間為每方向10h。

2.2 有限元模型

分析時對設(shè)備模型進(jìn)行合理簡化。由于研究對象為設(shè)備本身結(jié)構(gòu)件，風(fēng)機(jī)采用隔振安裝，所以對風(fēng)機(jī)進(jìn)行等效重量處理，并且忽略設(shè)備不重要倒圓和倒角以及連接孔處的螺紋，有影響的特征進(jìn)行詳細(xì)建模。基于ANSYS Workbench對設(shè)備簡化模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，生成341 807個節(jié)點和175 764個單元。對設(shè)備安裝螺釘位置圓孔處施加全位移約束。

螺釘安裝位置采用Beam單元模擬，在安裝板上16處安裝孔裝置位置施加全位移約束。

2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和分析相應(yīng)的振型，模態(tài)分析結(jié)果是檢驗其結(jié)構(gòu)合理性、安全性的重要指標(biāo)，是后續(xù)分析的基礎(chǔ)。耐久振動分析中施加的振動譜頻率范圍為（15~2 000）Hz，提取該機(jī)載電子設(shè)備耐久振動仿真的前6階模態(tài)，前6階固有頻率值，如表2所示，仿真分析結(jié)果表明，設(shè)備固有頻率較高，整體剛度較好，前6階模態(tài)主要表現(xiàn)為天線整體擺動變形。前6階模態(tài)分析結(jié)果如圖 3所示。

圖3 設(shè)備前6階模態(tài)分析結(jié)果

表2 模態(tài)分析結(jié)果

2.4 耐久振動響應(yīng)結(jié)果分析

三個方向隨機(jī)振動分析結(jié)果響應(yīng)如圖 4~6、表 3~5。

圖4 航向的振動響應(yīng)結(jié)果

表3 航向的振動響應(yīng)結(jié)果

航向振動響應(yīng)結(jié)果如圖 5和表 3所示。側(cè)向振動響應(yīng)結(jié)果如圖 5和表 4所示。側(cè)向振動響應(yīng)結(jié)果如圖 6和表 5所示。

表5 垂向的振動響應(yīng)結(jié)果

圖6 垂向的振動響應(yīng)結(jié)果

表4 側(cè)向的振動響應(yīng)結(jié)果

圖5 側(cè)向的振動響應(yīng)結(jié)果

鋁合金5A06的屈服強(qiáng)度160 MPa，從分析結(jié)果可以看到，結(jié)構(gòu)在所給隨機(jī)振動條件下發(fā)生的最大應(yīng)力響應(yīng)為118.9 MPa，小于材料的疲勞極限應(yīng)力，所以結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)破壞概率比較小，能夠承受在機(jī)載環(huán)境中產(chǎn)生的隨機(jī)振動載荷。

3 驗證試驗

對機(jī)載電子設(shè)備耐久振動存在的破壞風(fēng)險主要有兩種：

1）在某一高量級激振頻率下機(jī)載電子設(shè)備出現(xiàn)共振現(xiàn)象，最終因振動引起結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力超過設(shè)備材料強(qiáng)度極限而破壞；

2 )在長期的振動或多次反復(fù)沖擊載荷作用下造成機(jī)載電子設(shè)備材料疲勞破壞。

由于耐久振動試驗條件的嚴(yán)苛性，三個方向振動量級均超過20 g，每個方向考核時間為10 h，振動頻率最2 000 Hz，根據(jù)高斯三區(qū)間法[3]結(jié)合仿真分析數(shù)據(jù)計算某機(jī)載設(shè)備出現(xiàn)疲勞破壞概率極小，但是為了保障設(shè)備的可靠性，使其適應(yīng)飛機(jī)的各種振動、 沖擊環(huán)境，且考慮到仿真分析與實際情況存在一定偏差，則采用振動試驗驗證，以確保設(shè)備安全可靠。

3.1 試驗安裝

某機(jī)載電子設(shè)備通過16處M5裝機(jī)螺紋孔安裝于專用振動夾具上，再將振動夾具固定于振動試驗臺上，航向和側(cè)向試驗安裝于水平振動試驗臺，垂向試驗安裝于垂向振動試驗臺，耐久振動試驗順序為：航向→側(cè)向→垂向，安裝圖如圖 7所示。

圖7 振動試驗安裝

3.2 試驗控制曲線

航向、側(cè)向和垂向耐久振動試驗控制和檢測頻譜分別如圖 8所示。

圖8 航向耐久振動試驗頻譜

3.3 試驗結(jié)果

受試樣品按試驗條件的要求分別完成了10 h耐久試驗，受試件所有結(jié)構(gòu)件無破壞，并且試驗全過程監(jiān)測風(fēng)機(jī)和散熱器殼體上響應(yīng)，試驗后加電檢測風(fēng)機(jī)能正常轉(zhuǎn)動，證明風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)隔振器完好。響應(yīng)監(jiān)測曲線如圖 9所示。

圖9 風(fēng)機(jī)和散熱器殼體響應(yīng)監(jiān)測曲線圖

4 結(jié)論

針對某機(jī)載電子設(shè)備，采用振動仿真分析和振動試驗的方法探究了其抗振能力滿足設(shè)備使用要求，完成主要工作如下：

1）模態(tài)分析結(jié)果顯示某機(jī)載電子設(shè)備固有頻率較高，整體剛度較好，前6階模態(tài)主要表現(xiàn)為天線整體擺動變形；

2）分析了結(jié)構(gòu)在所給隨機(jī)振動條件下發(fā)生的最大應(yīng)力響應(yīng)為118.9 MPa（側(cè)向耐久振動時），小于材料的疲勞極限應(yīng)力，所以結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)破壞概率比較小，能夠承受在機(jī)載環(huán)境中產(chǎn)生的隨機(jī)振動載荷，結(jié)構(gòu)有足夠的動態(tài)承載能力；

3）通過耐久振動試驗驗證某機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件無破壞，且風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)隔振器完好。

圖9 風(fēng)機(jī)和散熱器殼體響應(yīng)監(jiān)測曲線圖