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        某彈載天線的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)及動態(tài)性能分析

        2023-07-31 10:29:54劉攀
        環(huán)境技術(shù) 2023年6期
        關(guān)鍵詞:電源模塊振型固有頻率

        劉攀

        (中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所,成都 610036)

        引言

        彈載天線是在彈載設(shè)備電磁波信號傳播、發(fā)射和接收的關(guān)鍵部件,其性能直接影響著整個彈載設(shè)備的電氣指標(biāo)[1]。隨著彈體不斷地發(fā)展和改進(jìn),彈載天線需要承受非常惡劣的環(huán)境,特別是彈體在發(fā)射和分離過程中,彈載天線承受最大過載達(dá)到104g以上,沖擊峰值持續(xù)時間為毫秒級。有研究結(jié)果表明:振動和沖擊時引起電子設(shè)備故障的主要因素,電子產(chǎn)品的失效比例高達(dá)(50~60)%[2,3]。由于彈載產(chǎn)品的特殊性,彈載產(chǎn)品通常情況下在導(dǎo)彈艙內(nèi)的安裝方式為剛性連接,沒法通過對整機(jī)采取隔振措施,因此彈載設(shè)備的抗振動、沖擊技術(shù)是導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)之一。

        彈載天線的抗振動、沖擊設(shè)計(jì)主要通過對天線進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和緩沖設(shè)計(jì)。彈載天線的加固設(shè)計(jì)主要通過提高承載結(jié)構(gòu)件的抗振動、沖擊能力,并針對大尺寸和大質(zhì)量的元器件采用機(jī)械或膠粘加固,使整機(jī)在不加任何隔振措施情況下,就能通過抗振動、沖擊[4]。緩沖設(shè)計(jì)主要是采取動態(tài)性能好的灌封材料對設(shè)備內(nèi)部電路系統(tǒng)進(jìn)行灌封,使其固化為模塊,提高設(shè)備的抗過載能力[5]。

        本文根據(jù)彈載天線的環(huán)境試驗(yàn)條件和天線性能指標(biāo),對該天線進(jìn)行了抗振設(shè)計(jì)和動態(tài)響應(yīng)分析。本文首先對該彈載天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹,包括天線的組成和結(jié)構(gòu)形式;其次對天線的抗振動、沖擊設(shè)計(jì)進(jìn)行分析;最后結(jié)合有限元分析對彈載天線進(jìn)行動態(tài)性能分析。

        1 彈載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        1.1 天線結(jié)構(gòu)組成

        彈載天線主要由收發(fā)模塊、頻綜模塊、射頻轉(zhuǎn)接組件、AIU模塊、信號處理模塊和電源模塊組成,如圖1所示。整機(jī)天線以射頻轉(zhuǎn)接組件為主要承力構(gòu)件,設(shè)置了整機(jī)在彈上的安裝法蘭盤。收發(fā)模塊通過8個M3沉頭螺釘緊固在射頻轉(zhuǎn)接組件上,頻綜模塊通過5個M3螺釘單獨(dú)固定在射頻轉(zhuǎn)接組件上,電源模塊、信號處理模塊和AIU模塊通過9個M4的內(nèi)六角螺釘穿通緊固在射頻轉(zhuǎn)接組件上。

        圖1 某彈載天線爆炸分解圖

        天線整機(jī)主結(jié)構(gòu)件材料根據(jù)需要選用7075鋁合金,鋁合金7075具有較高的比剛度和強(qiáng)度,在減小整機(jī)重量的同時還具備較高的剛度和強(qiáng)度。

        1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        本天線采用模塊拼接構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì),各模塊具有獨(dú)立的功能,易于模塊的軟硬件技術(shù)升級和擴(kuò)展能力,各模塊的高頻信號通過SMP-KK連接器進(jìn)行盲插互聯(lián),低頻信號通過J63A連接器進(jìn)行盲插互聯(lián),通過互聯(lián)插合緊固實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接同步到位,從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、電氣的緊藕結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)具有良好的緊湊型、重量輕、抗振、沖擊好、維修方便、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

        2 彈載天線抗振動、沖擊設(shè)計(jì)

        2.1 抗振動設(shè)計(jì)

        由于天線與平臺的安裝方式為剛性連接,無法在天線與平臺之間添加隔振器。因此天線在滿足質(zhì)量的要求下,需要對天線進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和緩沖設(shè)計(jì),以使天線滿足振動力學(xué)環(huán)境條件。主要采取的措施如下:

        1)提高天線整機(jī)的剛、強(qiáng)度

        提高結(jié)構(gòu)的抗振能力主要通過結(jié)構(gòu)的剛度和增大結(jié)構(gòu)阻尼。剛度越大,抵抗變形的能力越強(qiáng),其自身固有頻率越高,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)的振幅就越小,因而振動時的應(yīng)力也越小,其抗振動能力也越高。本天線采用模塊拼接構(gòu)型設(shè)計(jì),各模塊采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),射頻轉(zhuǎn)接組件作為主承載結(jié)構(gòu),在滿足重量要求情況下,盡量加厚其法蘭盤厚度,并且在腔體內(nèi)部設(shè)計(jì)多個筋板,提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。電源模塊、信號處理模塊和AIU模塊不僅通過多個高強(qiáng)度螺桿穿通緊固在射頻轉(zhuǎn)接組件上,并且各模塊間采取鑲嵌設(shè)計(jì)措施,可以保證各模塊間在各個方向上既有雙向限位,避免天線串接螺桿在使用過程中承受橫向剪切力。模塊內(nèi)部的印制板布局合理,盡量對稱均勻布局,安裝盡量低矮,體積和質(zhì)量較大的元器件布于靠近安裝點(diǎn)的位置上,合理增加印制板固定點(diǎn),減小電路板固定間距,不僅能提高固有頻率,還可以防止元器件集中受力。對于質(zhì)量和體積較大的元器件需要采取機(jī)械加固或則粘接加固。

        2)固有頻率的控制設(shè)計(jì)

        眾所周知,當(dāng)設(shè)備的某一階固有頻率與激勵頻率重合時就會發(fā)生共振現(xiàn)象。本天線的力學(xué)環(huán)境條件是固定不變的,無法通過改變激勵頻率使天線避免共振現(xiàn)象。并且一個復(fù)雜的系統(tǒng)有多階固有頻率,在激勵頻率范圍較大時,復(fù)雜系統(tǒng)則無法完全避免共振現(xiàn)象。

        對于本天線而言,天線整機(jī)在無法完全避免共振的情況下,如何避免天線內(nèi)部產(chǎn)生局部共振是重點(diǎn)研究對象。在天線設(shè)計(jì)時,應(yīng)使天線各個模塊的固有頻率遠(yuǎn)離天線整機(jī)固有頻率,和模塊內(nèi)部電路板固有頻率遠(yuǎn)離模塊的固有頻率。從理論上來講,當(dāng)兩則的固有頻率比值大子2時,此時相互的共振響應(yīng)較小。

        天線的固有頻率與天線質(zhì)量和剛度有關(guān)。天線的質(zhì)量受結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式限制,則無法輕易改變天線的質(zhì)量,因此固有頻率的控制主要通過改變剛度來實(shí)現(xiàn),為了使天線各模塊固有頻率遠(yuǎn)離天線整機(jī)固有頻率和各電路板遠(yuǎn)離模塊固有頻率,主要采取以下措施:

        ①合理增加模塊的固定點(diǎn),提高模塊的剛度,從而提高模塊的固有頻率;

        ②合理增加模塊主承結(jié)構(gòu)件的筋條,提高模塊的剛度;

        ③電路板的合理布局并合理增加電路板的固定點(diǎn),提高電路板的固有頻率。

        3)去耦設(shè)計(jì)

        本天線是個多自由度系統(tǒng),存在多個振型,并且各振型存在相互耦合。因此在天線設(shè)計(jì)時需要盡量減少各振型的耦合和減少天線的諧振數(shù)量,從而減少共振峰數(shù)量并抑制共振峰值。

        天線在激勵振源下,可能會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動的耦合。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,各模塊的布局一定要合理,使天線在高度方向的尺寸盡量最小,將安裝法蘭設(shè)計(jì)在射頻轉(zhuǎn)接組件上,使天線重心盡量靠近安裝面,有利于降低天線的重心 ,并在設(shè)計(jì)時各模塊布局盡量均勻?qū)ΨQ,使天線重心與天線安裝固定點(diǎn)的重心大致重合。

        2.2 抗沖擊設(shè)計(jì)

        為使天線滿足高量級沖擊振動,除了對天線采取加固措施外,還對天線的電源模塊采用了緩沖設(shè)計(jì),提高電源模塊的抗沖擊能力。

        由于天線的電源模塊含有多個重量和體積較大的DC-DC組件,為使電源模塊滿足高量級沖擊振動,電源模塊采取聚氨酯材料對其進(jìn)行灌封處理,灌封材料具有粘彈效應(yīng)和橫向慣性效應(yīng),使其應(yīng)力波在傳播過程中會發(fā)生幅值衰減和波形彌散作用,通過灌封材料的彈塑性變形和阻尼作用吸收能量[5]。

        3 彈載天線動態(tài)響應(yīng)分析

        為了驗(yàn)證本天線滿足其振動力學(xué)環(huán)境條件,通過有限元分析方法對本天線進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析和沖擊響應(yīng)譜分析,校核天線結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度,驗(yàn)證其可靠性。

        具體的力學(xué)試驗(yàn)條件見表1和表2。

        表1 隨機(jī)振動條件

        表2 沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)條件

        動力響應(yīng)分析首先要建立動力學(xué)基本方程,在實(shí)際情況下,復(fù)雜的問題很難建立偏微分方程,并且很難求解,普遍采用常微分方程,最常見的有限元動力學(xué)基本方程[6]:

        式中:

        [M],[C],[K]—質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣;{x˙},{},{?}—位移向量、速度向量、加速度向量;{F(t)}—激勵載荷。

        3.1 模態(tài)分析

        模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)[7],通過模態(tài)分析可以得到系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù),包括:各階固有頻率和相對應(yīng)的振型。

        天線的振動特性主要取決于天線本身的質(zhì)量、剛度和阻尼,與外激勵載荷無關(guān)。由于天線的阻尼較小,對天線的固有頻率影響較小,在計(jì)算天線的固有頻率時,不考慮阻尼帶來的影響。無阻尼自由振動運(yùn)動方程為:

        當(dāng)發(fā)生諧振動,即

        結(jié)合式(2)和式(3),運(yùn)動方程可表示為:

        要得到式(4)的非零解,則需要求解如下方程式:

        式中:

        ωi,φi—第i階固有頻率和都i階振型。

        求解式(5)可得到n個固有頻率和n個對應(yīng)的振型。

        天線的材料力學(xué)見表3所示。結(jié)合振動試驗(yàn)條件,主要提取了(0~5 000)Hz范圍內(nèi)的所有模態(tài),其中前6階模態(tài)(見表4)和振動模態(tài)振型(如圖2所示)。

        表3 材料力學(xué)性能表

        表4 前6階固有頻率

        圖2 天線前6階對應(yīng)的模態(tài)振型

        3.2 隨機(jī)振動分析

        根據(jù)表1試驗(yàn)條件分別對彈載天線施加X、Y、Z三個方向隨機(jī)振動激勵,并進(jìn)行有限元分析。有限元分析采用模態(tài)疊加法,經(jīng)過計(jì)算得到天線在三個方向的等效應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差和等效變形標(biāo)準(zhǔn)差,如表5所示。

        表5 隨機(jī)振動仿真結(jié)果

        從表5可知,天線在三個方向的最大等效應(yīng)變發(fā)生在X方向,最大變形量為0.18 mm,位于AIU模塊的印制板上;最大等效應(yīng)力發(fā)生在X方向,最大應(yīng)力為72.2 MPa,位于天線安裝法蘭盤上。

        3.3 沖擊響應(yīng)譜分析

        沖擊響應(yīng)譜常采用模態(tài)疊加法來計(jì)算系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng),系統(tǒng)的模態(tài)總響應(yīng)為:

        式中:

        N,εij,Ri—擴(kuò)展模態(tài)的個數(shù)、模態(tài)耦合系數(shù)、第i階模態(tài)響應(yīng)。

        利用有限元分析軟件的譜分析功能,選擇SRSS法(平方之平方根法)的模態(tài)疊加方法計(jì)算沖擊響應(yīng)的極值,即

        根據(jù)表2分別對彈載天線施加X、Y、Z三個方向激勵。計(jì)算得到了天線在三個方向的最大應(yīng)力的最大變形,見表6所示。

        表6 沖擊振動仿真結(jié)果

        圖6 X向沖擊載荷最大應(yīng)力

        從表6可知,天線在三個方向的最大應(yīng)變發(fā)生在X方向,最大變形量為1.04 mm,位于AIU模塊的印制板上;最大等效應(yīng)力發(fā)生在X方向,最大應(yīng)力為212 MPa,位于射頻轉(zhuǎn)接組件上。

        3.3 結(jié)果分析

        根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核公式:

        式中:

        MS,σf,σmax,f—安全裕度、許用應(yīng)力、計(jì)算應(yīng)力、安全因子(對于屈服極限取1.2,對于破壞載荷取1.35)。

        在隨機(jī)振動分析中,天線的最大應(yīng)力為72.2 MPa,對應(yīng)的安全裕度為3.44,滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖3 X向最大等效應(yīng)力

        圖4 X向最大等效變形

        在沖擊響應(yīng)譜分析中,天線的最大的應(yīng)力為212 MPa,對應(yīng)的安全裕度為0.5,滿足設(shè)計(jì)要求。

        4 結(jié)束語

        彈載天線作為導(dǎo)彈內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備,為了使彈載天線能適應(yīng)高量級的載荷,本文詳解介紹了彈載天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗振動和沖擊設(shè)計(jì)以及動態(tài)啊應(yīng)分析。通過對彈載天線的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析,結(jié)果表明該彈載天線能滿足高量級的振動和沖擊載荷,滿足力學(xué)環(huán)境條件。

        經(jīng)過實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證,本彈載天線的結(jié)構(gòu)形式具有抗高量級振動、沖擊的能力,對同類產(chǎn)品貝有一定的鑒定意義。

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