不同高度安装架对整机刚度的影响分析*

姜 健，张丰华，醋强一

(西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引 言

近些年，随着我国航空事业的蓬勃发展，相应的机载电子设备发展迅速，用户对电子设备的可靠性和性能提出了更高的要求。大量的军用试验和经验已经证明，大约有20%的故障是由某种类型的振动和冲击引起的[1]。因此，有必要对电子设备所经历的的振动环境以及响应情况进行分析，避免在高能量密度区域内的谐振发生[2]。

通常情况下，电子设备会在很宽的频率范围和加速度量值上遇到各种形式的振动。在旋翼飞机上，还需要在宽带背景上叠加单频尖峰。这些尖峰是由旋转部件产生的正弦波，是每个部件的旋转频率及这些频率的谐波。这些尖峰的量值通常较大[3]。因此，在电子设备的结构设计过程中，应将整机的固有频率设计在这些尖峰之外，以防止严重的耦合和量值的放大。笔者通过Workbench仿真软件对高底座安装架和低底座安装架两种结构形式对整机刚度的影响进行分析，为之后安装架的设计提供了设计依据。

1 设备结构形式

文中采用高底座安装架和低底座安装架两种结构形式进行对比分析，其中高底座安装架底座高度为75 mm，三维模型如图1所示。低底座安装架底座高度为3 mm，三维模型如图2所示。

图1 高底座安装架三维模型 图2 低底座安装架三维模型

由于该模型较复杂，为了减小计算量，在保证仿真精度的同时提高仿真效率，对模型进行适当的简化：①对B型把手处的接触采用“beam connect”命令进行简化；②对模型中的螺纹孔、小圆角等特征进行简化；③忽略面板上的连接器和其他对结构刚度无影响的器件；④所有的连接都采用刚性连接。

2 模态分析

对两个模型分别进行模态分析，首先需要对坐标系进行统一：X方向为机箱的上下方向，Y方向为机箱的左右方向，Z方向为机箱的前后方向。坐标系如图3所示。模态分析结果如图4所示。

图3 坐标系示意

图4 模态分析结果

从仿真结果中可以看出，增加安装架底座的高度，可以提高整机在X方向(机箱上下方向)和Y方向(机箱左右方向)上的固有频率，增加其刚度；但增加安装架底座的高度，会导致整机在Z方向(机箱前后方向)上的固有频率的降低，削弱其刚度。

3 随机振动分析

采用GIB150标准中某设备的振动谱作为振动条件进行输入[4]，振动谱如图5所示。谱中F1为107 Hz，F2为215 Hz，F3为322 Hz，F4为430 Hz。

图5 随机振动频谱图

随机振动分析结果如图6所示。从图6中可以看出，应力值最大发生在低安装架在Y方向振动时的工况下，此时的最大应力值为454 MPa，而高安装架此时的最大应力值为105 MPa。这是由于在Y方向，高托架的一阶固有频率为159 Hz，避开了频谱图中107 Hz的峰值，因此应力值较小。相反，低托架的Y方向一阶固有频率为106 Hz，正好落在频谱图中107.5 Hz的峰值附近，产生谐振，因此产生较大的应力值。

图6 随机振动分析结果

4 结 论

针对高底座安装架和低底座安装架两种安装架进行模态和随机振动分析，以研究其在振动相应过程中所表现出来的动力学特性，得到结论如下：

(1) 增高安装架的底座高度，可以提高整机在X方向(上下方向)上的刚度。

(2) 增高安装架的底座高度，可以提高整机在Y方向(左右方向)上的刚度。

(3) 增高安装架的底座高度，将会降低整机在Z方向(前后方向)上的刚度。

根据结论，在之后的设计中应结合所施加的随机振动图谱有选择的对安装架的高度进行设计，原则上整机的前三阶固有频率(三个方向)均应设计在振动谱的非波峰处。