机载设备的隔振系统设计

梁 国，陈诗超，王 建，钱志伟

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

机载设备的隔振系统设计

梁 国1，陈诗超1，王 建1，钱志伟2

(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.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 214000)

针对机载设备的隔振需求，对机载设备进行了振动分析和隔振设计。利用SolidWorks软件建立机载设备的三维模型，通过ANSYS有限元分析软件对机载设备进行了模态分析，得到系统的固有频率和振型。对机载设备进行了随机振动分析，得出机柜不同部位在激振频率范围内的加速度响应和应力响应。结合动力学仿真结果和隔振理论对机柜进行了隔振系统设计，对机载设备的隔振效果进行了试验验证。试验结果表明，隔振系统达到了较好的隔振效果。

机载设备；模态分析；随机振动分析；隔振设计

0 引言

机载设备在飞机起降或使用过程中经常受到各种各样的振动和冲击，设备会因振动或者冲击破坏发生故障。振动对电子设备的破坏主要有：设备在某个激振频率点上产生共振，以致使振动加速度超过设备所能承受的极限加速度而破坏；设备振动加速度引起的应力虽未超过设备在静载荷作用下的强度，但由于频繁的振动而使设备发生疲劳破坏[1]。

为保证电子设备的正常工作，必须对机载电子设备采取隔振措施。对设备的薄弱结构进行加固，对整机采用隔振缓冲，以此来提高电子设备的抗振性能，是目前工程应用中较为普遍而又经济可靠的设计方法。文献[2-3]对航空电子设备进行了模态分析；文献[4-5]对电子机柜进行了动力学分析；文献[6]通过将有限元分析仿真分析与隔振理论相结合的方法对机柜进行了振动分析和隔振设计；文献[7-11]分别基于减震需求对电子设备安装平台进行了隔振系统设计；文献[12]采用重心测量法选取合适的减震器对机柜进行隔振设计。

本文基于ANSYS有限元分析技术，以安装在螺旋桨飞机上的电子设备机载机柜为例，模拟载机振动环境，对机柜进行模态分析和随机振动分析，并基于分析结果进行减振设计，最后通过对电子设备进行随机振动试验以验证其隔振效果。

1 机柜刚强度设计

电子设备的结构刚度设计的优劣很大程度上决定了整个设备系统是否具有良好的抗振性能。电子设备设计应遵循刚度设计为主、强度校核为辅的指导思想，要针对结构的最薄弱环节进行加固设计[12]。通过加固设计，可提高设备的刚度、强度及结构固有频率，进而提高设备抗振抗冲击性能。由于载机的振动频带较宽，采用二倍频法则进行刚度设计，无法实现使设备的固有频率避开载机的激振频率的目的，因此还需要采取一定的隔振措施对电子设备进行保护。

电子设备应用于机载平台，对机柜的刚强度和设备重量均有较高的要求。为了满足设备的轻型化要求，选用由高强度的铝合金型材拼焊而成的高强度机柜，机柜的立柱、顶框和底框之间通过拼装焊接在一起，整个机柜形成一个整体框架结构，具有较强的刚强度。对机柜的侧门、顶盖采用了冲肋、翻边等结构形式，以此来提高结构件的刚强度。机柜结构组成如图1(a)所示。

(a) 机柜外形 (b) 有限元模型图1 机载电子设备机柜

2 动力学仿真分析

2.1 有限元模型的建立

借助于SolidWorks三维建模软件建立机柜有限元模型，然后导入ANSYS软件进行力学分析。由于机柜的内部设备结构和连接形式比较复杂，若对整个机柜进行有限元分析，计算容量和时间将会超出目前所允许的条件。为了分析顺利进行，对机柜模型进行了简化，忽略一些对整体强度影响不大的结构细节，如倒角、圆角、螺纹孔和装饰条等[13]。机柜各主要零部件是拼装焊接而成，故可以将机柜有限元模型进行刚体化处理，避免机柜内部零部件之间产生谐振。

机柜的主框架由高强度铝型材拼装焊接而成，其结构的基本拓扑形式可归类于框架结构,在仿真时单元类型采用梁单元。对机柜内安装的机箱，按其实际几何形状建模,单元类型采用实体单元[14]。在仿真环境下分别对机柜、机箱及其他零部件赋予材质属性。机柜设备的有限元模型如图1(b)所示。

2.2 载荷加载及约束条件

固有频率和振型是结构自身特性，与外界载荷无关，在本模型中载荷只有自重。结合机柜的外形尺寸和重心位置，并根据非耦合条件，确定机柜采用4个底部隔振器和2个背部隔振器的安装方式。对建立的有限元模型在安装点施加约束，约束6个方向的自由度。

2.3 模态分析

模态分析是动力学分析过程中必不可少的一个步骤，用于确定结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是动态载荷结构设计中的重要参数。同时，模态分析也是随机振动分析的基础，为系统采取隔振措施及隔振器选型提供参考[15]。

模态分析的核心是确定描述结构系统动态特性的参数，对于一个N自由度系统，其运动微分方程为[17]：

(1)

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；z为位移向量；F(t)为作用力向量。

当F(t)=0时，忽略阻尼C的影响，式(1)变为：

(2)

自由振动时，结构上各点做简谐振动，各点位移解为：

z=Aejωt。

(3)

式中，A为自由振动的振幅向量。

将式(3)代入式(2)可得：

(K-ω2M)A=0。

(4)

由于载机的激励频带较宽，在求解时计算并扩展了对机柜振动起主要作用的前40阶模态。机柜前15阶的固有频率如表1所示。计算结果显示，机柜第1阶固有频率为14.618Hz，振型为整机柜左右方向的弯曲振动；第2阶振型表现为整机柜前后方向的弯曲振动；第3阶振型为整机柜绕竖直中心轴的扭转；第4～9阶为机柜立柱的局部弯曲振动，第10～14阶模态振型表现为机柜及内部设备无规则的振动。第15阶模态振型表现为机柜后侧立柱的弯曲振动。

表1 机柜的前15阶固有频率

2.4 随机振动仿真分析

机柜安装在大型运输机上，载机的振动谱由宽带随机迭加特定频率点的窄带尖峰组成。宽带随机主要由载机的起飞、着陆，滑跑时跑道对飞机的作用、发动机的振动、发动机喷气噪声及其气流激励等因素产生。尖峰形式的窄带随机是由螺旋桨叶所带动的旋转压力场引起的，这些峰值的中心频率位于螺旋桨叶通过频率及其谐波的比较窄的频带内[7]。根据工程实践经验，机柜在垂直方向的振动较其他方向的振动严酷，因此在这里只对机柜施加垂直方向的激励。螺旋桨飞机的舱内设备振动谱型[16]如图2所示,根据设备的安装位置不同L0取值不同。螺旋桨通过频率F1=71.5Hz,F2=2F1，F3=3F1，F4=4F1。对于本设备安装位置，L0=0.3g2/Hz，加速度总均方根值为4.5 g。

图2 振动谱型曲线

在机柜底部机箱上取一点A，在机柜中间部位机箱上取一点B，在机柜顶部机箱上取一点C，计算各点垂直方向的加速度响应值表2所示。

表2 机柜不同部位的响应

通过表2的数据可以看出，当输入点的加速度均方根值为4.5g，机柜上方设备C点的响应最大，加速度均方根值为13.52g。C点的垂直方向的响应加速度功率谱密度曲线如图3所示。从图3可以看出，在126Hz附近有最大的响应值，机柜其余点的响应与C点相似。

图3 加速度响应

机柜垂直方向随机振动的3σVonMies应力云图如图4所示。可以看出最大的3σVonMies应力为262.88MPa，发生在导轨的转接件上及机柜底部固定隔振器的安装件上。转接件材料为铝合金，屈服极限σ0.2为145MPa，取安全系数为2，则屈服极限许用应力[σ0.2]=72.5MPa。循环次数为5×108的疲劳强度σ-1= 145MPa，取持久极限安全系数为2，则持久极限许用应力[σ-1]=72.5MPa。根据强度理论，材料满足强度要求必须满足2个条件：3σmax<[σ0.2]，且3σmax<[σ-1]。其中，[σ0.2]为屈服极限许用应力，[σ-1]为疲劳持久极限许用应力。可见3σVonMies为262.88MPa，远大于[σ0.2]和[σ-1]，不满足强度条件。

图4 3σVonMies应力云图

最大3σVonMies应力发生节点的应力功率谱密度响应值如图5所示，从图5看以看出，126Hz附近是最危险频率点，在较大频率范围内，节点的响应值都远远大于[σ0.2]和[σ-1]。

图5 3σVonMies应力响应

机柜的随机振动仿真结果表明，在随机激励作用下，机柜设备的加速度均方根值及应力均方根值响应值都有不同程度的放大，在几个频率点响应值更是出现较大的共振现象。设备在此环境下长期工作，极容易出现结构破坏，因此需要对机柜采取必要的隔振措施以保证电子设备的安全工作。

3 隔振设计

3.1 隔振原理

当电子设备在运载工具上工作时，可将运载工具自身的振动视为对设备的基础激励。基础振动通过隔振系统传递给电子设备的比率，称为振动传递率。隔振系统振动传递率[17]为：

(5)

式中，ηv为振动传递率；当激励是位移时，ηv表示响应振幅与激励振幅之比。当基础表现为速度或者加速度时，系统ηv分别表示速度或者加速度的响应幅值与激励幅值之比。D为阻尼比，γ为频率比，即激励频率与隔振系统固有频率之比。由式(5)绘出的隔振传递率曲线如图6所示。

图6 隔振传递率曲线

3.2 隔振措施及隔振器选型

对设备采取隔振缓冲可以有效降低振动、碰撞和冲击的传递率。该型机柜隔振器的安装形式为：底部安装4只相同特性的隔振器；后背上部安装2只相同特性的隔振器。由于背架式隔振系统存在着耦联自由度，在使用过程中会引起局部共振和系统耦联共振[18]。因此，在进行隔振系统设计时要同时进行抗共振设计和解耦设计。

3.2.1 抗共振设计

为了避免或抑制电子设备产生共振，采用的隔振器不仅应具有尽可能低的刚度和固有频率，而且还应具有变阻尼特性。理想传递率曲线中没有共振放大现象出现，其传递率η≤1，具有这种特性的传递曲线叫“无谐振峰传递率曲线”[17]。对于该机柜，选用某厂家的空用无谐振峰隔振器GWF型。

3.2.2 解耦设计

背架式安装隔振系统存在耦合振动，为避免或减小系统耦合振动，必须使背架式安装隔振系统的垂向刚度为0，且其水平刚度与底部隔振器的水平刚度匹配[18]。在这里选取与GWF型相匹配的背部隔振器GBJ型。

根据机柜的固有频率特性、质量、质心位置确定底部隔振器型号为GWF-60型和GWF-80型，GWF-60型安装在机柜后面2个安装点，GWF-80型安装在机柜前面2个安装点，2种型号的隔振器固有频率都为9 Hz。背部隔振器应和GWF-80型相匹配，选择GJB-80型。

4 试验验证

为验证该型机柜在规定的振动试验条件下的隔振效果，对机柜进行了振动试验。机柜安装在由铸铝制造的振动夹具内，如图7所示。通过仿真已得知机柜顶部设备C点的随机响应较大，为获取该设备在随机激励下的响应，在顶部设备的前面板上粘装加速度传感器，得到顶部设备C点的随机响应曲线如图8所示。通过响应曲线可以看出，随机激励在隔振器的的隔振作用下得到很大衰减，实际施加的功率谱RMS=4.827 g，监测到的加速度均方根响应值RMS=0.963 g。

图7 振动试验机柜安装图

图8 顶部设备C点的随机响应曲线

同时测量了机柜设备A点和B点的加速度响应值，对比结果显示顶部设备C点响应值最大，但与之前机柜未加装隔振器时的的仿真结果相比，隔振效果明显，满足设备隔振要求。装有该型隔振器的电子设备机柜顺利通过了随机振动和冲击试验的考核，试验结束设备没有出现任何破坏，设备运行正常。

5 结束语

本文将ANSYS有限元力学仿真应用到机载设备的隔振设计上，通过对设备进行仿真分析，得到的仿真结果表明在不安装减震器的情况下，机柜设备满足不了强度要求。借助于电子设备的隔振理论进行系统隔振设计，根据其隔振特点选择了合适的减震器型号。为了验证隔振系统的隔振效果，对机柜进行了随机振动试验，试验结果表明，隔振系统对机柜起到了很好的隔振效果。此设计方法还可以推广到舰载、车载或者其他环境平台上的电子设备的隔振设计上。

[1] 季 馨，王树荣．电子设备振动环境适应性设计[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2] 张敬东，刘泓滨．基于ANSYS 的航空电子设备安装架模态分析[J].西华大学学报(自然科学版)，2012,31(2):54-57.

[3] 刘仁飞，张华俊．基于有限元法的电子设备机柜静载与模态分析[J]．电子机械工程，2014，30(1):11-13．

[4] 王 骁，程林风．某军用电子机柜随机振动仿真分析[J]．电子世界，2014(9)：121.

[5] 何小兵,张赤斌,颜肖龙．车载电子机柜的动力学分析[J]．机械工程与自动化，2006(1)：46-48.

[6] 杨文芳，魏 强，朱兰琴．基于有限元分析的机载电子设备的减振设计[J].振动与冲击[J]，2010，29(5)：230-234.

[7] 李玉峰，秦志刚．某机载电子设备的抗振设计[J]．电子机械工程，2007，23(3):3-6．

[8] 李家旭，张新平，谷迎松．某机载设备安装平台的复合式隔振设计试验研究[J].机械科学与技术，2015，34(6):978-981.

[9] 沈文军．舰用铸铝密闭机柜的隔振缓冲设计[J]．电子机械工程，2005，21(6):8-14．

[10] 朱兰琴，杨文芳，李 雨．某机载电子设备机架隔振缓冲系统设计[J]．振动与冲击，2015，34(11)：183-187.

[11] 马帅旗.机载电子设备的减震设计[J].噪声与振动控制，2014,34(2):185-187.

[12] 吴毅萍.电子设备振动分析与抗振设计[J].舰船科学与技术，2007，29(5)：88-91.

[13] 梁 国，王 建.一种共形天线阵支架的结构设计与仿真分析[J].无线电通信技术，2016，42(1):65-68.

[14] 蒲广义.ANSYS Workbench12 基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[15] 李建平，李大寨，杨 洋.回转起竖装置的设计与仿真分析[J].机械设计与研究，2012，28(3)：103-106.

[16] GJB 150.16A-2009.军用装备实验室环境试验方法(第16部分)：振动试验[S].

[17] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2005.

[18] 刘 萍，颜肖龙.电子机柜隔振系统解耦动力学仿真分析[J].机械制造与自动化，2009,38(6):73-75.

Design of Vibration Isolation System for Airborne Equipment

LIANG Guo1,CHEN Shi-chao1,WANG Jian1,QIAN Zhi-wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The36thResearchInstituteofCETC,JiaxingZhejiang214000,China)

To meet the requirement of vibration isolation in airborne equipment,vibration analysis and vibration isolation design are performed for airborne equipment.A 3D model of airborne equipment is built based on SolidWorks software.Model analysis is conducted by using ANSYS software and the inherent frequencies and mode shapes of the system are acquired.Then random vibration analysis is conducted,and the acceleration response and stress response of the different parts in the airborne equipment excited by broadband random vibration are obtained.A vibration isolation system is designed by using the dynamic simulation results and the theory of vibration isolation,and the effectiveness of vibration isolation is verified by test.The test results show that the vibration isolation system achieves a better vibration isolation effect.

airborne equipment;modal analysis;random vibration analysis;vibration isolation design

2017-03-20

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA7071015A)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.17

梁 国，陈诗超，王 建，等.机载设备的隔振系统设计[J].无线电工程,2017,47(6):70-74.[LIANG Guo,CHEN Shichao,WANG Jian,et al.Design of Vibration Isolation System for Airborne Equipment[J].Radio Engineering,2017,47(6):70-74.]

TN03;O34

A

1003-3106(2017)06-0070-05

梁 国 男，(1983—)，硕士，工程师。主要研究方向：电子设备的结构设计及力学仿真分析。

陈诗超 男，(1988—)，硕士，助理工程师。主要研究方向：电子设备的结构设计及力学仿真分析。