某军用车载显控设备支架的优化设计分析

王新亚，崔 航，苏力争，邰炜华

(西安电子工程研究所，西安 710100)

随着军用电子技术的迅速发展，军用雷达车载电子设备已经成为制约雷达装备自动化、智能化和信息化的重要因素。军用电子设备所处的环境条件比较复杂，由环境因素造成设备损坏的概率竟高达50 %之多，在温度、振动和湿度这三种环境因素中，因振动而引起的设备损坏[1-4]约占27 %，且此类振动大多是随机的[5-6]。国军标对军用产品在随机振动条件下的考核也有极为严格的要求。

作为雷达站总站控制系统的前端设备，显控设备是否正常工作直接影响整个雷达站总站控制系统的可靠性与稳定性，继而影响雷达站能否正常工作。结合我所某雷达站总体结构布局需求，所采用的显控设备属于通用工业级设备，传统安装方式已无法满足现有需求。因此，本文拟采用有限元仿真技术对其车载显控设备支架进行随机振动动力学分析及优化改进，以确定选择可行的结构设计方案。

1 随机振动基本原理

随机振动分析，也称为功率谱密度(PSD)分析，与其它分析不同，因为造成其振动的原因是复杂多样的，不可能逐一分析清楚，所以PSD分析在力学分析上不是一个能定量分析的方法，而是属于一种定性的分析[7]。

PSD分析是结构对随机动态载荷激励所产生响应的一种概率统计，它的数学模型是以概率论为基础的。这类概率统计是遵循概率统计规律的，可以用概率统计的方法进行表述[8]。在PSD分析中可以获取2 σ水平的位移、速度、加速度以及所关注应力结果， 若所述的2 σ水平的响应值对应于概率统计中的正态分布的均方根响应值，则可以认为小于该值的出现概率为95.45 %[9]。

2 原始结构仿真分析

2.1 有限元模型

文中所涉及的显控设备安装方式是一种区别于我所其它车载显控设备的新型安装方式，支架安装效果图如图1所示。其支架原始设计结构如图2所示。

图1支架安装效果图

图2原始设计结构

建立原始结构的有限元模型，为了提高相关重件(支架)的计算精度，需要对分析模型做进一步的简化处理：以相应的约束替代承载面板与支架的连接，将显控设备(m=2.5 kg)简化为质量点进行加载。

需注意的是总站控制所选用的显控设备所能承受的振动环境下加速度不大于15 g。

借助主流有限元分析软件ANSYS，建立简化后的支架有限元模型如图3所示。利用壳单元对支架进行网格划分，共划分41741个节点和40498个单元。支架材料特性表如表1所示。

2.2 仿真分析

2.2.1 模态分析

根据实际工况，设定分析模型的边界条件，并对支架进行模态分析。支架的前八阶谐振频率如表2所示。

图3 支架有限元模型

*注：质量m=0.46kg，厚度t=1.5mm

表1 支架材料特性表

由于第8阶谐振频率已超出车载电子设备随机振动的激励谱范围(0～500 Hz)，因此，只给出前八阶模态振型图，如图4所示。

表2 支架的前八阶谐振频率

一阶振型图 二阶振型图

三阶振型图

四阶振型图

五阶振型图

六阶振型图

七阶振型图

八阶振型图

图4前八阶模态振型图

2.2.2 随机振动分析

根据国家军用标准(GJB150-16A-2009)中所要求的随机振动试验条件[10]，确定用于该结构分析的激励载荷的功率谱密度曲线如图5所示。

图5激励载荷的功率谱密度曲线

对支架进行随机振动分析，得出等效应力云图如图6所示，结果表明，原始结构的2 σ水平的最大等效应力为315.8 MPa。加速度均方根值云图如图7所示，结果显示出原始结构的2 σ水平的最大加速度均方根值αx=2.8 e5mm/s2，αy=2.21 e5mm/s2，αz=3.67 e5mm/s2，此三向加速度均方根值普遍超过显控设备所能承受的15g(1.47e5mm/s2)。根据表1可知，原始结构的最大等效应力远超过材料的屈服强度205 MPa。且图6中显示大多数超过屈服应力的点均出现在显控设备与支架安装位置，表现出应力分配不均匀现象，这对显控设备及支架结构本体而言是极其危险的，因此需对此结构进行进一步的优化。

图7 加速度均方根值云图

3 结构优化与仿真分析

3.1 结构优化

结合上文原始结构的分析结果，需对支架进行有针对性的优化，主要分三处：

(1)考虑实际工艺标准及原材料选型，对原始结构进行以厚度为驱动的单目标优化分析。

通过仿真计算得优化分析结果候选点如表3及优化分析候选点图如图8所示。图8中细实线表示不同候选点(即不同厚度)驱动下支架的最大等效应力曲线，其中水平虚线表示支架所用材料的屈服极限值。

从图8中可以看出随着材料厚度的增加，支架的最大等效应力随之减小，即候选点3(厚度为2 mm)时最接近材料的屈服极限值205 MPa。优化分析权衡图如图9所示，两段细实线表示不同厚度点的优化分析可行性与否，图9中左半段曲线范围内为非可行范围，右半段曲线为可行范围，由图9可知，候选点3(厚度为2 mm)可作为厚度优化的首选点。

综上所述，确定改变原结构的原材料厚度为2 mm；

表3 优化分析结果候选点

图8优化分析候选点图 图9优化分析权衡图

(2)在显控设备与支架安装处进行加强，结合目前钣金常用工艺，采用冲压凹槽的方式提高此区域的结构强度和刚度；

(3)对大开口处及薄壁延伸处折边处理。

综上所述，最终确定优化后支架结构效果图如图10所示，图10中所指部分为形状优化所涉及的内容。

3.2 优化后支架有限元模型

优化后支架有限元分析模型如图11所示，同样采用壳单元进行支架的网格划分，共划分46214个节点44932个单元。

图10优化后支架结构效果图

图11优化后支架有限元模型

*注：质量m=0.67kg，厚度t=2.0mm

3.3 优化后支架仿真分析

3.3.1 模态分析

对支架进行模态分析，优化后的前四阶谐振频率如表4所示。由于第四阶谐振频率已超出车载电子设备随机振动的激励谱范围(0～500 Hz)，因此，这里仅给出优化后前四阶振型图如图12所示。

表4 优化后的前四阶谐振频率

一阶振型图

二阶振型图

三阶振型图

四阶振型图

图12优化后前四阶振型图

3.2.2 随机振动分析

采用与支架优化前同一种工况对优化后的支架进行随机振动分析，等效应力云图如图13所示，加速度均方根值云图如图14所示。

图14 加速度均方根值云图

结果表明，优化后支架的2 σ水平最大等效应力为187.07 MPa，2 σ水平最大加速度均方根值αx=5.87e4mm/s2，αy=1.25e5mm/s2，αz=6.21e4mm/s2，优化后的三向加速度均方根值均小于显控设备所要求的不大于15 g(1.47e5mm/s2)的要求。其最大等效应力小于材料的屈服强度205 MPa，如图13所示改进后的应力分布显示结构表明：改变材料厚度、冲压凹槽结构和局部折边对于支架强度及加速度响应有很好的改善，同时也有效的均衡了支架上的应力分布情况。

4 结语

(1)文中所采用的以增加原材料厚度与局部进行形状优化(压槽及折边)相结合的措施可有效地解决原始支架所面临的强度不足及加速度响应值过大的问题。使得优化后的2 σ水平最大等效应力比优化前降低了40.76 %，垂向、纵向和横向的2 σ水平最大加速度均方根值分别降低了83.08 %，43.44 %和79.04 %。

(2)文中所采用的优化措施显著地增加了支架的各阶谐振频率。而这些将大大降低显控设备的长期可靠工作中发生损害的风险，对于支架的工程设计有一定的指导作用。