机载雷达电源单元的减重设计及力学仿真分析*

吴孟武，黄春江，肖 竑

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

机载雷达电源单元的减重设计及力学仿真分析*

吴孟武，黄春江，肖 竑

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

机载电子设备有着重量轻、功率密度高等要求，实际上还面临着各种严酷的力学环境。针对机载雷达电源单元，文中从电源模块及整件两方面着手开展减重设计。为了验证经过减重设计后的结构刚强度是否满足要求，采用ANSYS软件分析了该电源单元在加速度过载、冲击及随机振动等各种工况下的结构响应和受力情况。分析结果表明，该电源单元的结构设计满足机载环境要求。文中针对雷达电源单元的减重设计及力学仿真分析对于其他机载电子设备的结构设计具有一定的指导意义。

机载雷达；电源单元；减重设计；力学仿真

引 言

机载电子设备在运输、起飞、着陆、滑行等过程中要经受各种严酷的力学环境考验，如加速度、噪声、冲击、振动等。面对如此复杂的环境条件，机载电子设备要求具有较高的可靠性。另外，为了减轻载机的自重，提高飞机的飞行速度及灵活性等，机载电子设备要求尽可能地减轻重量，提高功率密度。在机载电子设备的研制过程中，减重与提高设备可靠性作为两个相互制约的因素，引起了广泛的关注[1-5]。

机载雷达电源单元作为机载雷达的供电系统，是机载雷达的重要组成部分，其可靠性直接影响雷达及飞机的性能。因此，在电源单元的结构设计阶段，必须对其进行刚强度分析和校核。

本文以任务需求为出发点，分别从模块级和整件级阐述了机载雷达电源单元的减重设计。同时，采用通用大型有限元分析软件ANSYS建立了对应的力学仿真模型。基于建立的仿真模型，对电源单元在加速度过载、冲击及随机振动等各种工况下的结构响应和受力情况进行了分析，得到了对应的变形及应力数据，以此判断经过减重设计后的电源单元的结构刚强度是否满足机载环境要求。

1 电源单元的减重设计

电源单元的组成按照功能划分包括整流电源模块、数字子阵电源模块、固态放大链模块、直流电源模块、机架、水接头和电连接器等，如图1所示。本节分别从模块级和整件级阐述相关减重设计。

图1 电源单元的组成及结构形式

1.1 模块级减重设计

电源单元各模块主要由内部电路、元器件、壳体和盖板等组成。在设计中，各模块均采用轻质铝合金作为壳体和盖板材料，从而大幅降低了机壳自重。由于模块内部功率密度高，发热量大，通过对各种冷却方式的有效性评估，电源模块选用穿通式液体冷却方式。图2显示了8 V电源及整流电源模块的结构形式，其中，模块冷板与壳体一体化设计，采用厚铝板整体铣加工的方式成型，既保证了结构刚强度和尺寸精度，又能最大限度地进行减重。在壳体加工过程中，冷板厚度仅为5.5 mm(其中流道厚3 mm，蛇形板和流道另一侧板厚1.25 mm)；冷板内部无流道区域已加工至1.5 mm；壳体两侧板厚2 mm，减重槽深1.5 mm，即侧板局部厚0.5 mm；壳体面板主体厚2.5 mm。盖板主体厚1 mm，含加强筋厚2 mm。

图2 8 V电源及整流电源模块的结构形式

经过以上减重设计，模块所有结构件重量占模块总重量的25%左右。各模块的集成度得到了极大提高，功率密度达到1 kW/kg，为整件级的减重设计提供了巨大支撑。

1.2 整件级减重设计

由图1电源单元的结构形式可以看到，电源单元各模块采用横向盲插的形式安装固定在电源机架上。另外，输入输出电连接器及总进出水接头均布置在单元左侧，且单元左右侧各装有一个折叠把手。此种结构形式大大提高了电源单元的可操作性和可维修性，并极大地实现了结构减重。

电源单元机架主要由框架和背板两部分组成。为了减轻机架重量，机架上所有结构件均采用轻质铝合金制作。背板上包含冷却流道和部分电连接器等。框架分底板、顶板、左侧板及右侧板等，采用焊接成型，较之于其他连接形式(如螺接等)，在保证结构刚强度的前提下减轻了重量。另外，底板主体厚度只有2 mm；框架左侧板、右侧板及顶板均开有大量减重槽，其主体厚度亦只有2 mm、2 mm和2.5 mm。为了进一步减轻机架重量，机架采用开放式结构，前后面均不设面板(图1中机架前方靠左及靠右分别设有3个和1个假面板，为模块扩充预留所用)。

2 力学仿真分析

电源单元经过模块级和整件级的结构优化后，自重大幅下降。然而对于机载电子产品，由于其极高的可靠性要求，必须对结构的刚强度进行分析和校核。本文采用基于ANSYS的有限元分析方法对电源单元的力学特性进行分析。同电源单元减重设计一样，分别对各电源模块及电源单元整件进行了力学仿真分析，限于篇幅，只对整件级的仿真分析进行详细阐述。

2.1 有限元模型的建立

综合仿真计算效率及模型准确度等因素，对电源单元的三维模型进行了一定程度的简化处理，具体包括：去掉尺寸较小的孔、凸台、圆角；去掉不必要的倒角；将螺钉连接简化为有限元模型中结点之间的自由度耦合等。另外，在前期已对各模块进行结构刚强度仿真校核的基础上，在整件级仿真分析时，出于减少计算规模的考虑，将各模块设为刚性属性，重点考察电源单元机架的刚强度特性。图3显示了在模型简化的基础上，以四面体网格为基础，采用网格局部加密技术得到的电源单元机架网格模型，其中网格总数为111 782个，节点数为220 006个。

图3 电源单元机架的网格模型

由上节论述可知，电源单元机架各结构件均采用铝合金制作。铝合金5A05的材料属性参照材料手册：密度为2 660 kg/m3，弹性模量为70.3 GPa，泊松比为0.33，抗拉强度为285 MPa，屈服强度为125 MPa。

电源单元机架通过底板支耳位置的2个松不脱螺钉和背板上的2个定位销孔与载机相连。在结构刚强度仿真过程中，将底板支耳(松不脱螺钉安装处)设为固定约束；将背板定位销孔X、Y方向的自由度设为零，Z方向平动和转动自由度则不受控制(仿真坐标及方向参照载机统一设定：X方向为图3中左右方向，Y方向为上下方向，Z方向为前后方向)。电源单元的环境条件参考GJB 150—86[6]，仿真计算时，按照相应的量级和数值施加载荷。

2.2 模态仿真及分析

模态分析是动态响应分析的基础，其最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析待求的参数是结构的固有频率和振型，本次仿真计算中，采用Lanczos方法计算电源单元机架各阶固有频率，并得到对应的模态振型。

由相关振动理论，结构的低阶模态对振动响应的影响较大，高阶模态可以忽略不计。图4为前4阶的模态振型，表1列出了通过仿真计算得到的电源单元机架前4阶固有频率及模态振型最大变形位置。

图4 前4阶模态振型

模态阶数固有频率/Hz模态振型最大变形位置1243．82顶板2324．44底板3370．32局部4375．30局部

由图4及表1可以看到，电源单元机架前4阶模态振型均为局部变形，也即机架的整体刚度较好。这一点由前4阶固有频率数值也可以看出，固有频率越高，结构的刚度越好。电源单元的结构设计有效地避开了外部工作激励频率，避免结构发生共振。

2.3 随机振动仿真及分析

以模态仿真结果为基础，随机振动仿真采用PSD方法进行；根据电源单元的振动环境条件，分别提取X、Y、Z3个载荷方向的变形及应力。经过分析比较，电源单元机架在Z向振动激励下的结构变形最大，应力水平也最高。如图5所示，最大变形发生在背板上，最大应力出现在底板支耳位置，此时3σ应力值最大达23.34 MPa。

图5 Z向振动激励下的3σ变形云图及3σ应力云图

通过与材料的力学性能(铝合金5A05的屈服强度为125 MPa)相比较可以看到，电源单元的结构设计满足随机振动环境要求。

2.4 冲击仿真及分析

按照冲击环境条件，对电源单元机架进行瞬态动力学仿真。在有限元分析中，冲击载荷施加在电源单元机架的基础节点上，后峰锯齿波的加速度激励采用环境条件参数定义，加速度峰值为40g，持续时间为11 ms。瞬态分析过程采用完全法，设置材料阻尼系数为0.03，加载时间为19.8 ms，以捕捉到冲击响应的拐点和峰值。

经过分析比较，电源单元机架在X向冲击载荷作用下的结构响应最为剧烈。图6为X向冲击载荷作用下，电源单元机架最大应力节点的应力-时间历程曲线。可以看到，由于结构阻尼的存在，冲击载荷加载至11 ms时结束，而结构响应仍持续了一段时间。

图6 X向冲击载荷下最大应力节点的应力-时间历程曲线

图7为电源单元机架在X向冲击载荷作用下，最大应力时刻对应的变形云图及应力云图。最大变形发生在顶板上，最大应力出现在背板导向销孔位置，最大应力值达到111.93 MPa。可以看到，相比随机振动载荷，冲击载荷的工况更为恶劣。尽管如此，冲击载荷下出现的最大应力值仍然低于铝合金5A05的屈服强度(125 MPa)，也即电源单元的结构设计满足冲击环境要求。

图7 X向冲击载荷下最大应力时刻的变形云图及应力云图

2.5 加速度过载仿真及分析

加速度过载仿真采用静力分析方法进行，根据电源单元的加速度过载环境条件，分别提取各个方向载荷作用下的结构变形及应力。经过分析比较，电源单元机架在Y向加速度过载环境下的受力状况最为恶劣。如图8所示，最大变形发生在底板上，最大应力出现在顶板与电源模块连接处附近，此时最大应力值为13.34 MPa。

图8 Y向加速度过载载荷下的变形云图及应力云图

可以看到，相比冲击、随机振动载荷，加速度过载载荷对电源单元机架的影响最小，结构设计具有较高的安全裕度。

3 结束语

针对机载雷达电源单元，本文着重从结构的减重设计及相应的刚强度校核两方面进行研究。在减重设计方面，通过选用轻质铝合金材料，采取整体焊、整体铣加工工艺，设计超薄冷板、壳体等方式实现。在刚强度校核方面，通过采用基于ANSYS的有限元方法对电源单元在加速度过载、冲击及随机振动等工况下的结构响应和受力情况进行了分析。分析结果表明，电源单元在冲击载荷作用下的结构响应最为剧烈；同时，经过减重设计后的电源单元结构设计满足机载环境要求。

[1] 梁震涛, 徐德好, 李玉峰, 等. 直升机载设备安装架的随机振动分析[J]. 电子机械工程, 2009, 25(5): 21-24.

[2] 洪长满, 段勇军. 机载雷达天线座结构的刚强度性能评估[J]. 现代雷达, 2011, 33(6): 72-75.

[3] 时社萍, 常研, 向华平. 机载雷达设备安装架的结构设计[J]. 电子机械工程, 2010, 26(1): 22-24, 27.

[4] 杨林, 张丰华, 姜红明, 等. 基于强度仿真的某机载电子设备机箱减重研究[J]. 机械工程师, 2013(8): 171-173.

[5] 王贤宙, 王长武. 基于MD.Nastran的某型机载雷达机箱力学仿真分析[J]. 电子机械工程, 2011, 27(1): 12-14.

[6] 王秀清, 刘凤云, 陈素女, 等. GJB 150—86 军用设备环境试验方法标准[S]. 国防科学技术工业委员会, 1986.

吴孟武(1984-)，男，工程师，主要从事军用雷达电源及配电结构设计。

Weight-reduction Design and Mechanical Simulation Analysis ofPower Supply Assembly in Airborne Radar

WU Meng-wu，HUANG Chun-jiang，XIAO Hong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Airborne electronic equipments have the requirements of light weight and high power density, and in fact, they need to face up to various severe mechanical environments during whole service lifetime. In this paper, weight-reduction design is conducted for the power supply assembly in airborne radar from modular and holistic level. In order to verify that the structure of the power supply assembly satisfies the strength and stiffness requirements, ANSYS software is used to analyze the mechanical response of the power supply assembly under the working conditions of acceleration overload, impact and random vibration. It could be concluded that the mechanical design of the power supply assembly satisfied the airborne environment requirements. The weight-reduction design and mechanical simulation analysis for the power supply assembly in this paper are helpful for guiding the mechanical design of other airborne electronic equipment.

airborne radar; power supply assembly; weight-reduction design; mechanical simulation

2016-05-03

TN959.73

A

1008-5300(2016)03-0001-04