冲击下舰载机柜内部冲击环境分析

吴 桐,冯麟涵

(1.武汉理工大学 交通学院， 武汉 430063; 2.海军研究院， 北京 100161)

舰船在作战中会遭受到水下非接触爆炸引起的高强度冲击(以下简称强冲击)[1]。电子设备在强冲击作用下，舰船机柜及内部电子设备会因承受过大的加速度而遭到破坏[2]，使元器件和零部件失效、整机电性能下降、结构损伤，甚至造成整机功能和性能的完全丧失等事故[3]。当前研究主要针对电子机柜本身的结构响应，忽略了机柜不同位置元器件不同的冲击环境。机柜板架结构受到冲击响应，往往引起机柜内部设备破坏。

机柜结构板与架之间通过螺栓连接，王其东等[4]针对机柜结构连接部位建模，提出了“node to node”、节点自由度耦合、梁单元模拟螺栓三种方法。“node to node”建模简便，但高频段与实验结果相差较大；节点自由点耦合法在低频段与试验值接近，随着频率上升误差显著增大；梁单元模拟螺栓法在高频段与实验最接近。程林风等[5]依据有效模态质量和模态振型对舰载机柜的薄弱环节进行分析，提出了提高舰载机柜抗振性能的措施并进行了仿真验证，提高了舰载武器系统工作的可靠性。杨宇军认为由于机柜外板、横板与支架连接使用的螺栓较为密集，可视为刚性连接[6]。舰载机柜在作战时受到垂向、纵向、横向冲击作用，不同方向的冲击作用会对机柜产生不同程度的损坏，亚璘，欧阳光耀[7]对通电状态下装有减振器的机柜进行冲击试验，并且与仿真结果进行对比，发现机柜的垂向加速度响应明显高于横向和纵向加速度响应。

本文以整流机柜为研究对象，通过有限元数值仿真分析机柜内部不同安装位置冲击环境和对机柜不同结构的计算，研究不同参数对机柜内部冲击环境的影响。

1 机柜仿真模型分析

某舰载整流机柜，由支架、横板和外板通过螺栓连接、焊接等方式连接而成。如图1所示，主体框架板厚为2.5 mm，中间横板板厚为1.5 mm，外板板厚1 mm。机柜内部元件主要均匀分布于第一层和第二层横板。机柜几何模型采用壳单元建模，主体框架和各板均采用四边形单元进行网格划分。主体框架单元尺寸为30 mm×30 mm，各板单元尺寸为60 mm×60 mm，机柜施加谱速度3.2 m/s冲击，第二层横板中点加速度峰值为380g。细化网格，各板单元尺寸为30 mm×30 mm，第二层横板中点加速度峰值为392g。进一步细化网格，使各板单元尺寸为15 mm×15 mm，第二层横板中点加速度峰值不变，因此单元尺寸为30 mm×30 mm合适。

根据海军工程大学试验，整流机柜加载谱速度为3.2 m/s的载荷时，开关断路，影响系统正常工作。因此本文对谱速度为3.2 m/s的冲击载荷下机柜内部冲击环境特征进行考察。根据德国军标BV043-85，将设计冲击谱转化为波形为正负双三角型波的时域曲线，如图2所示。图2中，a2=150 g，a2=-70 g，t2=0.001 28 s，t3=0.003 2 s，t4=0.007 3 s，t5=0.010 057 s。

2 仿真结果分析

机柜受到冲击作用是高速动力学过程，涉及到复杂的接触问题、材料退化以及材料失效问题，通过ABAQUS的显性算法可有效模拟这一过程。

2.1 模态分析

模态分析是动力学分析的基础，也是研究对象动态特性的重要方法[8]。对电子机柜进行模态分析可得到其结构的固有频率和振型，掌握动态特性，找到结构设计方案中的薄弱环节。

根据机柜的安装方式，对机柜底端4个焊脚刚性固定进行模态分析，取前50阶固有频率。模态计算结果如图3所示。

机柜结构的高度比纵、横向尺寸大得多，并且机柜具有多层横板用以安放电子设备，因此机柜低阶模态十分活跃。同时，主体框架的刚度比外板、横板的刚度大很多，机柜的主要振型为外板、中间横板的振动，并且机柜各板的刚度相差不大，因此机柜的模态较为密集。机柜的前6阶固有频率和振型如表1所示。

表1 机柜前六阶固有频率

可以看出，机柜的薄弱区域为外板和中间横板。作为主要放置电子设备的底板和中间横板，主要振动沿Z方向(垂向)，因此受到垂向冲击时，会产生较大的响应，从而使内部电子设备处于严峻的冲击环境。

2.2 机柜冲击环境分析

冲击环境是指设备受到水下非接触爆炸引起强冲击时的基础输入，常用冲击谱表示。冲击谱是假想安装在同一基础上的结构或设备，在经受同样的瞬态基础冲击时一系列不同固有频率的质量弹簧线性振子的最大响应幅值与其固有频率的关系曲线。在工程应用中，通常将冲击当成对结构的激励，用结构响应表达冲击效果，用响应的峰值确定冲击的某些效应[9]。因此需要将时域曲线转化为冲击响应谱，然后对冲击环境进行分析[10]。

如图4所示，在谱速度3.2 m/s的冲击载荷作用下，机柜的应力峰值在底部与甲板连接处，应力峰值为149 MPa，没有超过Q235钢的屈服极限，机柜结构不会发生损坏。从图5可以看出，机柜各层横板加速度响应较高，达到411g以上，远大于冲击输入加速度峰值150 g，横板上安装的电子设备的冲击环境严峻，导致设备损坏。

对机柜进行冲击试验，输入谱速度为3.2 m/s的冲击载荷，并且在机柜横板、侧板、冲击平台安装16个加速度传感器，如图6所示。通过东华测试系统测得加速度时程曲线，将第一层横板、第二层采集到的加速度时程曲线转化为冲击响应谱，与仿真结果对比，如图7所示。

从图 7可看出，仿真和试验得到的两层横板的中点和端部的冲击谱曲线基本一致，验证了数值仿真方法的有效性。在局部的频率范围内，仿真和试验得到的冲击谱曲线有轻微区别，主要出现在横板中点处。误差原因为在有限元建模时对机柜结构的简化，如机柜各板和框架之间的螺栓连接简化为刚性连接，使连接处无相对滑移，刚度增大。

各安装位置冲击响应谱与输入谱如图8所示，机柜横板各处冲击谱在0～30 Hz频带，与输入谱基本一致，横板端部冲击谱曲线在30～120 Hz，略大于输入谱曲线。横板中点冲击谱曲线在30 Hz以后明显高于输入谱曲线。机柜内部电子设备一般刚性约束，安装频率在100 Hz左右，电子设备在机柜内部承受更危险的冲击环境。

机柜内部不同位置的冲击谱对比如图9所示，横板中点冲击谱曲线在20 Hz以后始终高于其他安装位置，说明横板中点大于20 Hz频段受局部振动影响严重。侧板的速度明显低于其他的垂向谱，说明垂向的冲击环境比横向的冲击环境更加严重。

根据仿真结果，机柜提供内部电子设备冲击环境，总体对输入载荷有放大作用，分析冲击环境的大小及其性能对提高机柜抗冲击能力至关重要。不同安装位置的冲击环境差异很大，应根据电子设备抗冲击强弱和安装频率合理布置安装位置。

3 机柜内部冲击环境影响因素分析

对于刚性安装的电子设备，固有频率在100 Hz左右[11]，该频段机柜内部电子设备经历更加危险的冲击环境。以主要安装设备的第二层横板为例，讨论横板厚度、横板结构形式两个因素对机柜冲击环境的影响。主要考察安装位置为横板段部(1号测点)、距离端部1/4板长处(2号测点)、板中点(3号测点)(图 10)。

3.1 横板厚度对机柜内部冲击环境的影响

对于所考查的第二层横板，增加横板厚度能影响横板各位置的冲击环境。将横板厚度从1.5 mm增加到2.5 mm，进行数值仿真计算。3个测点的冲击谱曲线与原模型的3个测点的冲击谱曲线如图11所示。增加横板厚度后，在整个频域内，2号和3号测点的冲击谱曲线与原模型相比有一定程度降低。2号测点和3号测点均处于横板中心区域。当机柜受到冲击时，2号测点和3号测点受到机柜整体振动、横板整体振动和横板局部振动共同作用，增加横板刚度，抑制横板的局部振动，从而改善冲击环境。而1号测点处为横板端部，主要受到机柜整体振动的影响，增加板厚1号测点处冲击响应基本不变，冲击谱曲线与原模型基本一致。

3.2 横板结构形式对机柜内部冲击环境的影响

在横板下方加筋能改变横板的局部模态，同时减弱板上各点响应受局部振动的影响。在原模型第二层横板下方安装矩形梁，矩形梁由4块厚度为2 mm，宽度为30 mm薄板焊接而成。3个测点的冲击谱曲线与原模型的冲击谱曲线如图12所示。由于改变了横板结构形式，横板各位置的冲击谱曲线与原模型的冲击谱曲线差别很大，但总体而言，2号和3号测点的冲击谱曲线的谱值较原模型的有明显降低。3号测点处直接安装矩形梁，并且矩形梁与机柜框架相连，完全约束了此处的局部振动，因此以机柜整体振动为主，30～150 Hz频段内谱速度明显降低，峰值降低到原模型的1/3，150～400 Hz的频段内两种结构形式的谱值基本一致。由于在3号测点处安装矩形梁，2号测点的局部振动受到约束，冲击响应降低，冲击谱各频率对应谱值较原模型均有下降，且在0～60 Hz频段降幅最明显。1号测点在横板端部，受机柜整体振动和横板整体振动的影响，不受局部振动的影响，但增加矩形梁改变了第二层横板固有频率，因此1号测点冲击谱曲线有一定变化，但谱速度峰值基本不变。

4 结论

1) 机柜电子设备刚性安装在机柜内部，安装频率在100 Hz左右。机柜不同安装位置在该频段谱速度值均较大，舰载机柜受到强冲击作用时，除了本身结构失效，还会使内部电子设备处于更严峻的冲击环境，导致内部电子设备发生功能性失效。

2) 机柜不同位置给电子设备提供了不同的冲击环境。横板中点冲击环境最恶劣，在整个频段谱值都高于其他安装位置，应该布置抗冲击能力最强的设备；侧板端部最安全，机柜内部电子设备可根据安装频率以及抗冲击能力强弱合理布置。

3) 增加横板厚度能一定程度减小横板各安装位置冲击谱谱值。改变横板结构形式能有效改变横板各测点的冲击环境，例如加筋可抑制板的局部振动，改善冲击环境。