某机载设备的动力学特性分析

韩姣皎 李鹏程 韩钟剑

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）

0 引言

随着电子信息技术的发展，机载设备的设计趋于轻量化，设备结构愈加复杂，引起的可靠性问题也随之增多[1]。机载设备在使用过程中经常会受到发动机、飞行姿态变化等因素引起的振动作用[2]。 振动会引起结构疲劳损伤，当损伤积累到一定程度时，将出现振动疲劳破坏，导致结构破坏[3]。因此，需对设备进行振动分析，确保设备结构符合强度条件。 随着有限单元方法的发展， 以计算机仿真作为主要手段， 为结构设计优化提供依据已成为行业发展趋势。

1 有限元建模

1.1 某机载设备结构设计

某机载设备结构件由设备机箱、 侧板等组成，如图1 所示。 该设备安装在气密舱内左侧设备架上， 通过前紧定装置和后紧定装置进行固定。 图1中机箱侧面的面内凸起为布置在机箱侧面的散热台，设备内的电路板与散热台间安装了具有一定弹性的导热垫片，通过热传导实现散热，确保设备正常使用。

图1 某机载设备结构组成

1.2 建立有限元仿真模型

在实际仿真建模中，为合理化计算成本，采用忽略结构上次要细节特征的方式，对某机载设备原模型进行简化。 本文采用ANSYS Workbench 对该简化模型进行分析，机箱、侧板、把手均采用实体模型，并进行网格划分，划分后有限元模型如图2 所示。

图2 简化后设备有限元模型

模型中，机箱、侧板、把手等主要部件均采用铝合金材料，模型内连接采用接触约束模拟，把手与机箱连接处采用固定约束。

2 模态分析

模态是结构的固有振动特性[4]，与结构所承受的外部载荷无关。通过模态分析获得结构的固有频率及振型，将结构的固有频率与工作频率进行比较，如两者较为接近，结构在承受载荷时会产生共振，造成振幅增大，将缩短结构使用寿命，影响其安全性。

采用Modal 计算方法对某机载设备进行模态分析。在分析过程中，对固定边界施加固定约束，不再额外施加载荷。 理论上设备存在无穷阶数的模态振型，但在实际分析中，由于低阶模态对结构响应的影响较大，随着阶次的增加影响逐渐降低，因此一般选取较低阶次进行模态分析。

本文选取前四阶模态进行分析。 其中， 第一、二、四阶固有频率对应的振动均对机箱侧面产生较大影响。 机箱侧面的变形将引起导热垫片压缩量变化，增大散热台与电路板间的压应力。 若变形过大，将导致电路板和散热台间的导热垫片压缩量过大，对电路板造成不可逆的影响，损害设备安全。 因此，需合理设计电路板与散热台的间隙并选择适当的导热垫片。

3 随机振动分析

随机振动是真实环境下设备运输和机载飞行过程中最常见的振动类型，具有非周期性和不可预测的特点。 其运动规律不能用确定函数表示，需用概率和统计的方法来描述。 对设备进行随机振动分析时，本文采用加速度功率谱密度（PSD）形式施加载荷，分别沿X 轴、Y 轴和Z 轴对设备施加载荷， 加速度功率谱密度如图3 所示， 其中第一阶窄带峰值为0.3 g2/Hz，其余窄带峰值可计算求得。

图3 某机载设备的随机振动试验条件

依据Steinberg 提出的三区间法对设备应力响应进行分析， 设备满足强度条件的前提是3 σmax＜[σ0.2]且3 σmax＜[σ-1]，其中[σ0.2]和[σ-1]分别为材料的屈服极限许用应力和疲劳持久极限许用应力。 经仿真分析可知，沿Z 轴施加载荷时产生的响应值最大，将决定设备是否满足强度条件。 沿Z 轴的最大3σ 正应力值为52.573 MPa，设备部件材料为铝合金，其[σ0.2]=155 MPa，[σ-1]=155 MPa，均大于Z 轴最大响应值，设备满足强度条件且剩余强度系数约2.94，故设计较为合理。

4 结语

机载设备的力学环境复杂，振动将影响设备的安全和使用寿命。 通过建立简化的设备三维有限元模型，利用模态分析和功率谱密度对设备进行动力学仿真分析，一方面进行设计校核，为后续试验提供预示；同时定位结构设计中的薄弱和关键环节，进行针对性的优化设计，为机载设备结构的轻量化实现提供技术途径。