机载计算机机械结构强度评价方法探讨

郭建平， 刘治虎， 醋强一

（中航工业西安航空计算技术研究所，西安710068）

机载计算机机械结构强度评价方法探讨

郭建平， 刘治虎， 醋强一

（中航工业西安航空计算技术研究所，西安710068）

机载计算机组成特殊、工作环境复杂，其强度评价方法是很值得探讨的问题。结合经典强度理论，提出了采用静强度、刚度、疲劳寿命和冲击相结合的强度评价方法。采用有限元分析软件，运用该方法对某机载计算机进行了强度评价，取得了预期的效果，为机载计算机的可靠性评价奠定了基础。

强度；刚度；疲劳；固有频率；模态

0 引言

机载计算机由印制电路板、元器件、电缆和机械结构件等组成，是飞机的重要组成部分。机载计算机既不同于普通的机械产品，也不同于普通的电子产品，是典型的机电类产品。普通的机械或电子产品强度评价方法无法直接用于机载计算机的强度评价，其评价方法是值得探讨的问题。

1 强度评价的一般方法介绍

强度评价一般方法包括静强度评价、静刚度评价、疲劳强度评价等几个方面。

静强度评价包括常规设计静强度评价、极限设计静强度评价等。

静刚度评价包括对直杆件扭转刚度评价、受弯梁的弯曲强度评价、薄板受弯曲载荷作用静刚度评价。

疲劳强度评价包括名义应力有限寿命设计、名义应力疲劳寿命估算、名义应力无限寿命设计等。

2 机载计算机工作环境介绍

机载计算机所处的工作环境比较复杂，主要受到高低温、湿热、振动、霉菌、盐雾、冲击、加速度、沙尘、噪声等的作用。从强度方面来说，主要考虑振动、冲击等问题。

振动是指物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动，它主要是考查设备在交变载荷作用下的工作性能和使用寿命，描述的是设备长时间受动载荷的工作性能。系统受到瞬态激励，其力、位置、速度或加速度响应发生突然变化的现象称为冲击。

振动和冲击造成的危害主要有以下两种［1］：1）设备在某一激振频率下产生振幅很大的共振，最终因振动加速度超过设备所能承受的极限加速度而发生破坏。或者由于冲击所产生的冲击力超过设备的强度极限而使设备破坏。2）振动加速度或冲击力引起的应力虽远远小于材料在静载荷下的强度，但是由于长时间振动或多次冲击使材料疲劳，从而导致设备破坏。

3 评价方法探讨

鉴于机载计算机工作环境的特殊性，一方面要考虑电子设备中的电路板、元器件在工作过程中不能受到太大的变形和加速度，以免造成器件工作不稳定或管腿的破坏。另一方面要考虑机载计算机中的结构件在使用过程中不会过早产生疲劳破坏。因此，机载计算机强度评价可从以下几个方面进行：首先是静强度评价，看静载荷下产品的受力分布和抵抗变形的能力情况；其次是刚度评价，一方面是看设计中是否存在局部薄弱，另一方面是看其刚度能否满足要求，即是否能保证印制板、元器件等在使用过程中不超过耐受极限；再次是对零部件的疲劳分析评价，看在振动环境下的疲劳寿命能否满足系统要求；最后是进行冲击评价，以评定机载计算机在预计冲击作用下的机械性能和结构强度是否达到设计要求。

3.1 静强度评价

静强度分析研究构件在静载荷下承受载荷的能力。静强度除了研究承载能力外，还包括构件的变形情况和构件在载荷作用下的应力等。静强度分析包括以下几方面：

1）校核结构是否满足承载能力要求。其准则为：若强度过剩较多，可以改变形状或减小尺寸；若强度不足，则需要改变设计以满足要求。

2）校核结构的变形是否满足设计要求。通过分析和计算看变形情况能否满足要求。

3）通过屈曲分析看杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。

机载计算机静强度评价的直观结果是应力，对于由脆性材料加工成的零件，可将零件的极限拉伸强度除以静强度校核应力得到安全系数；对于由韧性材料加工成的零件，可将材料的屈服极限除以静强度校核应力得到安全系数；以安全系数的大小判断产品是否满足设计要求。对于一般航空构件安全系数≥1.5；若有振动问题，则安全系数应为2～3［2］。

3.2 刚度评价

刚度表示机械零件和构件抵抗变形的能力。在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。

1）静刚度。静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度。

2）动刚度。动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需的动态力。如果激励变化很慢（即激励的频率变化远小于结构的固有频率），动刚度和静刚度基本相同。若激励变化极快（即激励的频率变化远大于结构的固有频率），结构变形比较小，即动刚度比较大。当激励频率与结构的固有频率相近时，有共振现象，其动变形可达静载时变形的几倍乃至十几倍。

机载计算机的刚度设计是以保证实现其基本功能为基本目的。机载计算机大多时候都工作在振动环境下，其振动激励频率一般在10～2 000 Hz的宽带范围内，其固有频率一般均在此范围之内，因此可能发生共振，在设计过程中应适当提高刚度，防止共振时振动加速度过大，超过印制板、元器件以及机械结构所能承受的极限加速度而发生破坏。

3.3 疲劳评价

金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳破坏与静力破坏有本质区别，表现在以下几个方面：

1）具有局部性。疲劳破坏不牵涉到整个结构，可通过改变某些局部设计，比如增大局部圆角、减小应力集中等就可以大大增加疲劳寿命。疲劳破坏是对机载计算机结构造成损坏的重要原因，因此对于机械结构而言，必须考虑其在使用过程中的疲劳破坏。

2）应力水平低。零构件中的应力远小于材料的极限拉伸强度或屈服强度，疲劳破坏就有可能发生。

3）脆性断裂。疲劳经过裂纹产生、裂纹扩展后，最终在宏观上表现为无明显塑性变形的突然断裂。

3.4 冲击评价

冲击是工程中常见的一种现象，它是剧烈的瞬态运动，它主要评价产品在预计冲击作用下的机械性能和结构强度是否达到设计要求。冲击主要包括两类：一类是基本冲击，另一类是坠撞安全，坠撞安全的试验量值一般比基本冲击高。

冲击作用的破坏表现在：1）在冲击的瞬时，作用在设备上的惯性载荷及由此引起的个别部件中产生的应力，可能超过设备允许值，致使设备破坏。2）由于多次冲击作用形成疲劳累积，使设备强度极限减低。

对产品进行冲击评价，主要是看其结构是否能承受力、速度或加速度突然发生变化所产生的巨大冲击力。

4 评价实例

某机载计算机简化后的模型如图1所示。现在按照上述方法对其进行强度评价。对模型进行网格划分，结果如图2所示。

图1 简化后的机载计算机模型

图2 网格划分后的模型

首先应对其进行静强度评价。由于机载计算机重量本身就不大，静态时无外力作用在其上，本身重力也基本不对结构件产生太大影响，因此可以认为静强度满足要求，所以本算例中就略去静强度评价。

其次对其进行刚度评价。通过对模型进行模态分析，计算出机载计算机的固有频率，根据模态分析结果判断机载计算机的刚度。模态分析结果如表1所示，其分布情况如图3～图5所示。

表1 某机载计算机前6阶模态分析结果

图3 一阶模态分析结果

图4 二阶模态分析结果

图5 三阶模态分析结果

从分析结果可以看出，该机载计算机的一阶固有频率为349.7 Hz，而一般机载计算机一阶固有频率在300 Hz左右［4］，因此该计算机的整体刚度可以满足要求。

从模态分析结果还可以看出，一、二阶模态位于机载计算机的右侧盖板上，这说明盖板局部刚性较差，可以适当加强。

需要说明的是，通过刚度分析只能直观上看出模块的刚度情况，在振动过程中元器件能否满足使用要求还需要进一步通过相关专业软件进行评价。

再次进行疲劳寿命评价，计算机载计算机在振动过程中的受力情况，并对重要受力部件即弯角件进行疲劳寿命分析，判断其满足要求的情况。机载计算机各部分应力分布情况如图6所示，弯角件的疲劳寿命分布如图7所示。

图6 机载计算机各部分应力分布情况

图7 弯角件寿命分布情况

将计算所得的弯角件寿命与系统规定的寿命相比较，在满足一定安全系数的情况下，作为其是否满足系统要求的重要指标。

最后进行冲击评价，计算出在基本冲击和坠撞安全条件下结构上的最大应力，如图8和图9所示。

从图 8、图9可以看出，在基本冲击和坠撞安全条件下，应力分布情况基本一致，不同的是应力大小不一样。将结构上的最大应力和结构材料的屈服强度比较，在保证一定安全系数的情况下，判定其是否满足使用要求。

图8 基本冲击下的应力分布

图9 坠撞安全下的应力分布

通过以上几个方面的综合评价，就可以得出该机载计算机强度能否满足要求的初步结论。

5 结论

结合机载计算机自身特点，探索了其强度评价方法，并运用该方法对某机载计算机进行了强度评价，取得了预期的效果，为机载计算机的可靠性评价奠定了基础。

［1］ 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴，等.电子设备结构设计原理［M］.南京：东南大学出版社，2005.

［2］ 李舜酩.机械疲劳与可靠性设计［M］.北京：科学出版社，2006.

［3］ 季馨.电子设备振动分析与试验［M］.南京：东南大学出版社，1992.

［4］ Steinberg D S.Vibration analysis for electronic equipment［M］. New York:John Wiley＆Sons，Inc，2000.

（编辑黄 荻）

Discussion on the Strength Evaluation Method for Mechanical Structure of Airborne Computer

GUO Jianping， LIU Zhihu， CU Qiangyi
（Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xi’an 710068，China）

The strength evaluation method of the airborne computer is well worth studying because of its peculiar composition and complex working condition.A new evaluation method adopting static strength,stiffness,fatigue,shock as well as classical strength theory is put forward.An airborne computer was evaluated successfully by finite element analysis software with this method which establishes foundation for the reliability evaluation of the airborne computer.

strength；stiffness；fatigue；natural frequency；normal model

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0184－03

郭建平（1981—），男，高级工程师，硕士学位，研究方向为机载计算机结构优化设计和仿真分析。

2014-03-03