一种机载设备机架及振动夹具设计与分析

2020-07-09陈诗超张新悦

无线电通信技术 2020年4期

陈诗超，梁国，张朝，张新悦

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081；2.秦皇岛天业通联重工科技有限公司,河北秦皇岛 066000)

0 引言

随着喷气式飞机机动性能的不断提高，对机载外挂物研制和生产过程中的可靠性提出了更高的要求。外挂吊舱的大部分振动是由于飞机发动机形成的声压场引起的[1]。这种声压场主要是源于发动机尾喷管下游气流的剧烈扰动。因而外挂电子吊舱主要经受发动机噪声、气动湍流和大机动式的载机振动三方面的振动，经过机体或机翼等大结构的滤波作用后，一般高频振动(从不大于1 000 Hz开始)不能传递给外挂吊舱[2]。因此对于舱内设备主要考虑低频振动下的结构强度设计要求。

力学试验是验证和解决机载设备在飞机振动环境中可靠性的重要手段。夹具是振动试验中连接被试件和激励台的关键过渡件[3-5]，应能够不失真地将振动台输出振幅和振动能量传递给被试件，同时模拟设备在真实使用条件下的装配环境。本文据此进行了夹具的结构设计与仿真分析。

本文针对机载外挂吊舱内装环境，采用CATIA和ANSYS软件相结合进行建模分析，设计综合设备机架，并研制其振动夹具进行动态仿真，提高综合设备机架和夹具的力学性能。

1 综合设备机架设计

1.1 机架结构设计

载机平台的振动频谱将在3～1 000 Hz范围变化，其峰值加速度水平在1～5 g。在垂直方向产生的最大加速度通常出现在100～400 Hz范围内。喷气式飞机会在其电子系统设备中的每一个电子模块上激发多谐振方式，为了防止电子板卡快速疲劳故障的谐振多发，应设计印制板与屏蔽盒能够协调一致。本文采用北约组织2007年发布的四代机模块ASAAC标准，该标准模块作为外场可更换单元(LRU)，空间利用率较高，环境适应性较强，维修性好[6]。

隔振缓冲是提高设备抗振、抗冲击能力的有效措施，但是隔振设计对设备本身的强度和刚度同样有较高要求[7]，并且在综合设备机架四周要有足够的摇振间隙，避免与其他产品发生碰撞。本文综合机架的空间狭窄、尺寸受限，无法满足安全间隙的要求，只能利用一个高强度和刚度的机箱来降低谐振时的共振放大因子。

为有效冷却18个电子模块的热耗，机箱采用上中下三层冷板焊接成型。机箱设计为上下对称结构，重心较高，设计时重点考虑了因重心较高而在振动、冲击过程中产生的附加横向力矩。机架上下冷板均与电子吊舱刚性固定，减小顶部振动位移，从而降低因附加力矩产生的弯矩等其他附加载荷。

考虑到该机箱为多冷板焊接结构，并且对重量要求较高，选用热塑性高，中等强度，焊接性优良，耐蚀性及冷加工性好的6063铝合金。

结合以上因素，设计了综合设备机架，该机架共计18个电子模块槽位，长方体结构，最大外形尺寸为390 mm×280 mm×364 mm，质量约43 kg。

1.2 机架结构模态分析

采用CATIA软件建立机箱三维结构模型，将机箱框架的三维模型导入ANSYS中[8]。对三维模型进行局部处理，简化对力学分析影响不大的修饰性特征和圆角。对模型进行网格划分建立坐标系，如图1所示。在机架安装点处施加固定约束，将机架约束于安装处。

采用模态分析模块，计算得到机架的固有频率和振型。其中，前6 阶固有频率和模态振型，如表1和图2所示。

图1 设备机架仿真模型网格划分Fig.1 Finite element mesh of the equipment frame model

表1 机架前6阶固有频率
Tab.1 Six extended frequency of the equipment frame

阶次频率f/Hz1396.982536.543565.074675.915844.286866.57

图2 机箱框架第1～6阶模态阵型Fig.2 Firist six modes of the equipment frame

通过模态计算结果可以看出，机箱框架第1阶主要为沿X轴的平动；第2阶和第4阶主要为机架插座安装处侧板振动；第3阶和第5阶主要为绕Z轴方向的扭动；第6阶主要为XY平面内的弯曲振动，伴随Z向的扭曲运动。从机架模态分析中可以看出，在机架低频振动中，X方向振动表现明显。说明该机架X方向的刚度较低，容易引起较大的位移变形。因此，设计夹具时应重点加强X方向的刚度设计，以提高夹具和机箱组合在X方向的刚度[9]。

为便于在振动试验中检验产品的真实振动情况，按照振动试验条件针对该机箱设计了一款专用夹具。

2 振动夹具设计

振动夹具主要用于振动、冲击以及加速度等试验中，是将激励台的载荷不失真地传递给被试件的必要机械连接装置[10-11]。一个合格的振动夹具应能够满足控制谱要求，不会造成“过振动”或“欠振动”，从而保证环境试验的有效性。本文主要设计原则如下：

① 频响特性满足使用要求，即振动夹具与被试件之间不会发生共振耦合；

② 比刚度高，阻尼大，需要将激励载荷以原频率、原波形地传递到被试件上，夹具必须有足够的刚度；

③ 为降低在非激励方向上的附加振动载荷，对于中大型夹具应考虑对称结构[12]；

④ 夹具与激励输出动圈连接可靠，夹具与动圈之间的连接螺栓应尽可能多，且夹具底面加工精度要高。

振动夹具加工常用的材料如表2所示。

表2 夹具材料的物理特性
Tab.2 Physical properties of fixture materials

材料杨氏模量E/GPa密度ρ/(N/cm3)E/ρ/(106m3Pa.kg-1)铝60～702.6～2.8025～26镁40～421.76～1.8122～24钛102～1104.40～4.8021～25

控制夹具固有频率的因素是E/ρ，E代表杨氏模量，ρ代表密度。应优先铝和钢，而铝的粘性阻尼大约是钢的4倍，因此该机箱振动夹具主要采用铝合金加工[13]。

综合设备机架与其他武器类装备有所不同，本文内装机箱突出特点是互联关系复杂，连接器、液冷管路较多，需考虑拆卸和安装方便，可操作性高。考虑机架上下刚性约束的要求，夹具常用的过渡板、L型件、T型件均不适用于本次试验。该夹具考虑开口形结构由4块厚铝板螺装而成，在保持夹具对称性的基础上，满足试验时的加电、供液、反复拆卸安装的试验要求。

图3 振动夹具三维模型Fig.3 Vibrating fixture model

在振动夹具的可靠性研究中，往往仅单独考虑振动夹具，而忽略了被试设备对振动夹具的边界效应，导致夹具空载时的仿真结果与试验过程中的受力情况有较大差异。为提高仿真结果的准确性，本文将振动夹具与机箱作为整体进行模态和动强度的分析，进而判断设计是否满足振动试验要求。

考虑到载机的激励频带较宽，将求解计算扩展到前30阶模态分析计算，夹具与机箱组合的前10阶固有频率如表3所示。计算结果显示：机箱与夹具的组合件第1阶固有频率为295.95 Hz，阵型为XY平面内的弯曲振动；第2阶为YZ平面内的弯曲振动；第3阶为绕Y轴方向的扭转；第4阶和第5阶为接插件安装板处的局部弯曲运动；第6～9阶为夹具侧立柱在Y轴方向上的弯曲运动；第10阶夹具和机箱为绕Y轴方向的扭转运动。

表3 夹具与机箱组合前10阶固有频率
Tab.3 Ten Extended frequency of the combination of fixture and frame