某机载雷达电子设备随机振动分析*

黄 潇

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某机载雷达电子设备随机振动分析*

黄 潇

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

机载电子设备经受的振动环境异常复杂，对电子设备进行随机振动分析可以验证机载振动环境下结构的可靠性。文中首先采用有限元法对某机载雷达电子设备进行了模态分析，确定了结构的振动特性；然后进行了随机振动分析，得到了电子设备结构的应力和变形云图；最后根据分析结果对结构的刚强度进行了校核。结果表明，该电子设备的刚强度满足设计要求，达到了验证结构可靠性的目的。

电子设备；可靠性；随机振动

引 言

机载雷达在载机起飞、爬升、巡航、下降和着陆过程中会受到由多种因素导致的随机振动的影响[1]。面临如此复杂的环境条件，雷达电子设备在机载振动环境下的可靠性是一个值得关注的问题[2]。目前，模拟电子设备随机振动的方法主要有力学试验和有限元仿真2种。电子设备的机械结构往往需要反复修改才能满足设计要求，如果仅依靠力学试验验证结构的可靠性，就存在成本高、周期长等问题。因此，在结构设计阶段，通过有限元仿真进行结构的刚强度分析，可显著提高设计效率。

本文根据机载随机振动的环境特点，对某电子设备进行了有限元建模、模态分析和随机振动分析，得到了结构的应力、变形和加速度响应云图，对结构的随机振动可靠性进行了校核。

1 有限元模型

1.1 有限元模型建立

对实际模型进行合理的简化是进行有限元建模的基础。电子设备结构复杂，包括机箱和内部插件。在建模时简化了对整个结构刚度贡献不大的元件，以质量点等效；去除了模型中的倒角、圆角以及对分析结果影响较小的几何特性，以减小分析规模。

按照上述简化原则对实际模型进行了处理，建立了相应的有限元模型，如图1所示。具体的简化方法和原则为：1)箱体、冷板和印制板主要采用壳单元和实体单元模拟；2)箱体各面板之间以及冷板与印制板之间的螺栓连接采用刚性单元模拟；3)印制板上小而轻的元器件以质量点等效；4)箱体安装孔位置采用全约束处理；5)仿真模型的质量分布与实际模型一致。

图1 有限元模型

1.2 材料参数

机箱和冷板材料均为铝合金，印制板材料为FR-4，其材料参数见表1。

表1 材料力学性能参数

2 模型修正

有限元模型修正是结构动力学的反问题，本质上是一个系统辨识建模的问题。其做法是先用分析的方法建立有先验性的有限元模型，当该模型的动力特性不满足要求时，依据试验获得的能反映结构真实动力特性的模态参数来修正该有限元模型，使其获得与实际测量值相一致的模态参数，为结构分析提供基准模型[3]。电子设备中的印制板为复合材料，其材料参数更是难以确定，因此进行模型修正是非常必要的。本文首先对电子设备中的印制板1和印制板2的前3阶自由模态进行了实测，然后采用优化算法对有限元模型进行了修正。将模型修正之后的自振频率分析结果与模态试验结果进行了对比，误差满足要求，见表2。图2和图3给出了印制板1和印制板2第1阶振型理论与实测结果的对比，振型图吻合较好，表明了随机振动分析所用模型的正确性。

表2 试验与仿真分析频率对比(自由模态)

图2 印制板1第1阶振型对比

图3 印制板2第1阶振型对比

3 随机振动分析

3.1 模态分析

在随机振动分析之前，先对结构进行模态分析。模态分析用于确定结构件的振动特性，即固有频率和振型，它们是结构承受动态载荷设计的重要参数。模态计算结果见表3。

表3 模态分析结果

3.2 随机振动分析

本文运用模态叠加法进行随机振动分析，为了保证计算精度，分析时提取了频率在2 000 Hz以内的固有频率和振型，临界阻尼比取为0.03。图4和图5分别给出了随机振动分析得到的结构刚度最差方向的应力和变形均方根响应云图。

3.2.1 应力

图4分别给出了电子设备整机、印制板1和印制板2的等效应力云图。从图4可以看出：电子设备整机的最大应力为19.24 MPa，出现在设备底板约束处；印制板1和印制板2的最大应力分别为3.48 MPa和7.52 MPa，均出现在某一约束孔处。按照表1给出的材料强度值，安全系数取为1.5，并且按最大米塞斯应力的3σ应力进行校核，结构强度满足设计要求。

图4 结构随机振动等效应力云图

3.2.2 位移

图5分别给出了电子设备整机、印制板1和印制板2的变形云图。从图5可以看出：电子设备整机的最大变形为0.069 mm，出现在印制板1上；印制板2的最大变形为0.063 mm，印制板1和印制板2的最大变形均出现在板的中心部位。由此可知，结构的最大变形小于许用量值，结构变形满足设计要求。

图5 结构随机振动位移云图

4 结束语

针对机载电子设备复杂的振动环境，利用有限元分析方法对该电子设备进行了模态分析和随机振动分析，完成了电子设备刚度和强度的校核，达到了验证结构随机振动环境可靠性的目的。在结构设计阶段，通过有限元仿真进行结构的刚强度分析，可全面掌握结构的刚强度分布，了解结构的薄弱部位以及刚强度裕度较大的部位，可为后续电子设备结构优化和减重设计提供重要依据。

[1] 矫志宁. 某机载雷达发射机的随机振动分析[J]. 电子机械工程, 2013, 29(2): 18-20.

[2] 李钊, 王志海. 基于有效模态质量优选法的机载雷达随机振动分析[J]. 电子机械工程, 2015, 31(1): 1-6.

[3] 李世龙, 马立元, 何佳, 等. 联合整体和局部模态信息钢管焊接结构模型修正[J]. 噪声与振动控制, 2014, 34(5): 27-33.

黄 潇(1987-)，女，工程师，主要从事雷达仿真分析与优化设计工作。

Random Vibration Analysis for Electronic Equipment of an Airborne Radar

HUANG Xiao

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The airborne electronic equipment works under the complex vibration environment. Its reliability can be validated by random vibration analysis. In this paper the modal analysis is carried out first for the electronic equipment of an airborne radar by the finite element method and the vibration characteristic of the structure is obtained. Then the stress and deforming graphs of the structure are obtained by random vibration analysis. Finally, the stiffness and strength performance of the airborne electronic equipment are verified according to the analysis result. The results show that the strength and stiffness of the electronic equipment meet the design requirements and the reliability of the electronic equipment is validated.

electronic equipment; reliability; random vibration

2015-12-24

TB123; TN959.73

A

1008-5300(2016)02-0010-03