基于抗振设计的机载设备模块有限元分析
2013-08-30岳超梁国
岳超 梁国
（河北远东通信系统工程有限公司河北石家庄050081）
1 引言
对机载电子设备来说，振动环境常常会导致电子元器件的失效或损失、电子线路的短路或断路和接插件松动甚至脱离等环境效应。在振动所引起的机械力作用下，当元器件的固有频率与振动频率一致时，会引起共振[1]，因此机载设备的抗振动设计一直是结构设计的重点和难点。如何在保证结构的可靠性的同时，尽量降低设备的重量，这是结构工程师追求的目标。文中首先讨论了电子设备的有限元建模方法，然后利用ANSYS有限元分析软件进行模态分析和随机振动响应分析，得到等效应力云图，较系统和全面的提出抗振设计的方法。
2 软件建模
设备采用模块组合的结构形式，模块与飞机的设备安装面之间采用12个M4的螺钉进行连接，模块结构形式对设备和印制板都有较好的刚度和强度。模块考虑采用的结构形式如图1所示，模块的总质量及尺寸如表1和表2所示。
表1 设备质量及尺寸
图1 设备外形示意图
表2 各模块尺寸重量清单
3 各模块结构设计
3.1 引用标准
本设备属于星载设备，在结构设计过程中，主要参考和引用标准为：GB/T13186-1991《机载多普勒导航系统通用技术条件》
3.2 部分模块结构设计
模块的结构直接影响整个系统的可靠性，因此模块的结构设计是工作重点之一。
3.2.1 电路板组件
设备中电路板组件直接固定在屏蔽盒上，为提高电路板抗力学环境能力，除了屏蔽盒四周的安装框架外，还应尽可能多的设计支撑凸台，用于增加电路板组件刚度及增加导热途径。
3.2.2电源及时钟单元
电源及时钟单元中的模块重量及功耗较大，将其安装在横截面为15 mm×5 mm的梁上，保证足够的强度和接触面积。
3.2.3 模拟模块
模拟模块的功耗较小，且模块重量相对较低，主要需要考虑的是其电磁兼容性。
3.2.4 其他
考虑抗力学环境及抗辐照要求，结构主体厚度设计为2 mm；对于抗辐照能力差的组件或者是重要的组件，除了设备结构2 mm的屏蔽外，还采取局部防护措施，如加钽、铌和铅片进行局部防护加固。
4 结构力学分析
4.1 模态分析
4.1.1 模态分析理论
模态分析的核心是确定描述结构系统动态特性的参数，对于一个N自由度系统，其运动微分方程为：
式中：M-质量矩阵；C-阻尼矩阵；K-刚度矩阵；z-位移向量；F(t)-作用力向量。根据振动理论，结构的低阶模态对振动响应比较大[2]，高阶模态可以忽略不计。在分析软件中设定约束后进行分析，可得设备的前5阶的固有频率及模态振型。
4.1.2 模态响应分析
⑴简化模型
对设备结构进行力学分析时，由于计算机性能限制和网格划分要求，需要对其进行简化处理，去掉对力学性能影响不大的部件和结构[3]。
⑵材料选择材料的选择也是重点之一，选择合适材料可以大大提高设备强度，同时降低设备重量。根据工程经验，所有模块选择硬铝2A12，此材料具有强度高、密度低和加工性好等特点，其主要特性如表3所示。
表3 材料特性
⑶模态响应分析
本模型采用Modal分析中的Bolck Lanczos法求解设备的有限元模型的模态解，计算并扩展了对设备振动其主要作用的前4阶模态。根据振动理论，结构的低阶模态对振动响应比较大，高阶模态可以忽略不计[4]。在分析软件中设定约束后进行分析，可得设备的前4阶的频率及前4阶模态振型如表4、图2、图3、图4和图5所示。
表4 前三阶模态的对应频率
图2 第一阶模态振型
图3 第二阶模态振型
图4 第四阶模态振型
图5 第三阶模态振型
⑷结论
通过模态分析，初步分析设备的固有频率为311.42 Hz，大于100 Hz，能满足设备的环境适应性要求。
4.2 随机振动分析
4.2.1 随机振动分析理论
随机振动试验是用来模拟航天器由噪声和发动机推力脉动环境引起的振动响应，其被广泛的应用于航天器的力学环境试验中[5]，它不仅能检验产品经受环境的能力而且也是对产品进行应力筛选的有效手段。随机振动在同一时刻施加所有的振动频率分量能同时激起系统的不同振型，可以体现各个振型之间的相互影响。
在模态分析中，通过坐标变换，将多自由度系统进行解耦，获得坐标系下的频率响应函数，然后才有模态叠加的方法获得原坐标下的频率响应函数[6]。假设基础位移激励为：响应位移为：
对于单点基础位移激励的多自由度线性系统，其动力学方程为[5]：
4.2.2 随机振动分析
设备约束方式同模态分析，功率谱密度曲线谱值为0.04g2/Hz，频率范围为20 Hz～1 200 Hz，加载方向沿X方向。
4.2.3 结论
通过仿真计算，得到等效应力云图如图6所示，可知该模型最大3σ等效应力发生在模块与飞机安装面的连接处，最大应力为111.7 MPa，低于材料的许用应力，说明了在随机振动下，材料所受的应力超过111.7 MPa的概率为0.3%。
5 结束语
利用SolidWorks建模软件进行三维建模，而后通过ANSYS有限元分析软件进行模态分析和随机振动分析，由仿真结果可知该设备结构在振动条件下所受应力远小于材料的许用应力，从而为结构设计提供了有力数据支撑，有效的指导结构设计工作，同时提高了设备的可靠性。
[1]范文杰.星载电子设备宽频随机振动响应分析[J].电子机械工程,2010(4):5-7.
[2]褚亦清.非线性振动分析[M].北京:北京理工大学出版社,1996.
[3]朱振荣,刑惠斌,蒋立冬.基于ANsys人字齿弯曲强度分析计算方法[J].舰船科学技术,2012(5):51-53.
[4]方 同.工程随机振动[M].北京:国防工业出版社,1995.
[5]胡志强.随机振动试验应用技术[M].北京:中国计量出版社,1996.
[6]龚 波,李翔龙,宋 帅.基于ANSYS的气缸结构优化设计[J].煤矿机械,2012(5):31-32.
