机载电子设备结构强度仿真与校核

郭建平，李振东，张 杰

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引言

随着航空电子技术的不断发展，机载电子设备对体积、重量及强度要求越来越高[1]。理论上，在相同材料的情况下，重量越轻强度越低，强度越高，重量也就比较大。因此在重量要求十分苛刻的前提下，既要满足产品的重量要求，又要满足结构强度要求，必须对设计产品进行强度考核，以确定其是否满足设计要求。

在对电子设备结构进行强度考核时，最常用也是最普遍的激励是随机振动[2]。根据GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》的相关规定，电子设备安装在不同类型的飞机或者同类型飞机的不同部位，其振动量值一般是不一样的。这就要求根据机载电子设备的安装位置确定其振动量值大小，进而考核其是否满足设计要求。

目前进行强度考核的方法有3种：试验、类比及仿真分析。试验验证效果直观，但是一旦发现问题再改进，会导致周期长、费用高；类比验证具有操作方便、简单易行的优点，缺点是新研发的产品基本没有类比的基础，无法得出类比结果；相比之下，仿真分析验证的方式优势十分明显，借助仿真分析技术，设计人员可以在产品设计过程中对产品进行强度分析，直观地判断强度是否满足设计要求，不仅可避免反复多次试验，降低资源消耗，而且可缩短开发周期，提高产品市场竞争力。

仿真分析校核虽然有很多优势，但是要确定仿真结果是否真实、准确，必须对仿真的实物进行试验测试，把测试的结果与分析得出的结果进行对比，进而找出分析结果与试验结果不一致的原因，修改仿真模型、边界条件及参数设置，逐步获得准确的仿真结果，指导后续仿真分析。

1 仿真及校核流程

一个完整的仿真分析包括两方面的内容：一方面是根据任务要求，选择合适的软件、建立模型、确定边界条件进行仿真分析；另一方面是对进行仿真分析的产品进行试验，把试验结果与仿真分析结果进行比较，如果误差过大就要修改模型、边界条件等，直至误差在规定的范围之内，仿真验证流程如图1所示。

图1 仿真验证流程

具体来说，仿真实现主要流程是，按照产品状态建立模型，并根据实际需要进行适当简化；施加约束条件，进行模态分析，再在模态分析基础上进行频率响应分析，频率响应是计算模型传递函数，并得到在单位载荷激励下模型在各阶频率上的应力、加速度、位移等分布情况；然后开展随机响应分析，随机响应分析是在频率响应分析的基础上，输入功率谱或相关谱形式的载荷，随机响应分析计算出的是模型自身的真实应力、应变和位移等情况。通过上面的一系列的分析，得出了模型上的应变(应力)、位移、加速度的分布，可以通过试验对这些结果进行验证。

仿真结果试验验证是通过把电子设备放置于振动台上进行振动试验，采用相关仪器设备测试电子设备的固有频率，以及结构的应变(应力)、变形、加速度等响应，然后把测试结果与仿真结果相比较，找出误差原因，进而对模型、边界条件、仿真参数等进行修正，使仿真结果与测试结果保持在一定误差范围内，确保仿真结果的准确性。验证测试设备如图2所示。

图2 验证测试设备

采用的验证测试设备主要包括模态分析设备和动态信号测试分析系统。模态分析设备主要是通过综合振动台对电子设备扫频，以测得其固有频率，然后把测试结果与分析结果比较以修正模型及仿真参数。验证采用的动态信号测试分析系统，包括应变传感器、加速度/振动传感器、信号调理器、数据采集器、软件系统以及相应的记录、存储、转换及显示等辅助设备。

具体验证方法是对电子设备结构的重点关注部位贴上相应的传感器，以测得其应变(应力)、加速度、变形等。把通过仿真分析所得的电子设备各部位的上述结果与其相对应的测试结果进行比较，找出误差较大的原因并进行调整，以缩小误差至一定范围内。

2 仿真与校核案例

某机载电子设备是飞机的通信部件，在出厂前需要进行包括环境应力筛选、高低温、振动在内的系列试验。其中振动试验为随机振动，振动图谱如图3所示。

图3 试验图谱

该机载电子设备是安装在专用设备上进行随机振动试验的，该专用设备采用铝合金制造，其不仅是机载电子设备振动时的紧固载体，更是直接将试验激励传递给机载计算机的重要部件，如图4所示。

为了对该专用设备进行结构强度仿真与校核，特在该专用设备上选取9个点，进行仿真和测试，选取的点如图4所示。将该专用设备固定在振动台上，按照图3所示振动图谱施加随机振动激励，通过安装在9个点位的加速度传感器和动态信号测试分析系统测试出每个点的加速度响应均方根值，如表1所示，该测试值作为仿真校核的基准值。

表1 振动实测值

图4 试验专用设备

在CAE仿真软件中建立该试验专用设备的详细模型并赋予铝合金材料属性，采用四面体十节点进行网格划分，在其与振动台固定的圆孔一圈施加固定约束，并进行模态分析，结果如图5所示，前10阶模态分析结果如表2所示。在模态分析基础上施加单位加速度激励计算频率响应，再在其基础上计算随机响应，计算出9个点的加速度量值，分别如图6所示，需要说明的是根据以往经验，在仿真时将阻尼系数设置为0.06。把仿真分析所得的量值与振动过程中实际测得的值进行比较，如表3所示。

图5 模态分析结果

图6 各点量值情况

表2 初次仿真后模态分析结果统计

表3 初次仿真加速度与测试值对比及误差

从仿真与测试对比结果来看，除了个别点误差较小外，其余大部分点误差都比较大，需要进一步对仿真进行调整，以使误差控制在合理范围内。

根据机载计算机仿真经验，为了缩小误差，需要对模型、参数及边界条件几个方面进行修正。首先对网格进行了加密以提高仿真精度。其次，从仿真结果来看，仿真量值普遍偏小，可以认为阻尼系数过大，因此将阻尼系数由0.06调整至0.04。最后对约束方式进行调整，在其与振动台固定的圆孔上部也增加固定约束。从以上3个方面进行调整后重新分析，如图7、图8所示，前10阶模态分析结果如表4所示。3个方面调整后的仿真值和测试值对比如表5所示。

图7 重新划分网格及施加边界条件

图8 模态分析结果

表4 调整后模态分析结果

表5 调整后加速度仿真与测试值对比及误差

从调整后的分析结果来看，调整相关参数后，误差值大幅减小，最大误差由39%缩小至6%；平均误差由26%缩小至4.6%，仿真和测试结果误差很小，仿真结果准确可信，可以作为评判机载计算机响应指标的重要依据，仿真与校核达到了预期效果。

3 结语

针对机载电子设备试验专用设备及典型的随机振动试验进行了试验对仿真结果的校核探讨，校核情况表明，合适的网格精度、正确的约束条件、准确的阻尼系数对仿真结果十分重要。根据本文积累的校核经验，可在此基础上开展机载电子设备仿真，对其强度进行评价，指导产品研制。