某球载雷达电子设备的力学仿真分析

摘要：球载雷达电子设备是球载雷达的重要组成部分，其力学工作环境严苛，对结构有较高的可靠性要求。现基于有限元方法，通过模态分析得到固有频率和振型;进行瞬态动力学和随机振动仿真分析，得到相应的变形和应力响应结果，验证了该电子设备结构设计满足力学环境的设计要求。

关键词：球载雷达电子设备;力学分析;瞬态动力学;随机振动

0    引言

随着材料科学和工艺技术的发展进步，浮空器应用越来越广泛，浮空器可搭载不同的电子设备，在预警探测、电子对抗和反恐缉私等方面都得到了广泛的应用[1]。球载雷达电子设备作为球载雷达的重要组成部分，在制造、运输和雷达架设等过程中，其结构需适应复杂严苛的力学环境，如振动、冲击等。严苛的力学环境可能会导致电子设备内的元器件受损或失效，造成雷达无法正常工作。因此，在产品研制階段，必须准确评估电子设备在各种力学环境作用下的结构刚强度响应[2]。

本文以某球载雷达电子设备结构的环境试验设计要求为出发点，分析其试验指标，采用ANSYS Workbench建立力学仿真模型，设置载荷和边界条件，对其进行模态分析、瞬态动力学分析、随机振动分析，对各种工况下的结构刚度、强度进行了分析，得到对应的变形和应力数据，验证该电子设备可以满足刚强度、基频等要求。

1    结构有限元模型建立与力学环境条件

1.1    结构设计与有限元模型建立

该球载电子设备结构主要由壳体、底板、盖板及内部电子元器件等组成，其结构三维模型如图1所示，电子设备的底部两侧分别设计3个吊耳，通过吊耳孔装配在雷达天线的基板上。

综合考虑仿真效率和准确性，对模型进行一定程度的简化处理，去除壳体结构中尺寸较小的孔、倒角、圆角等[3]，对简化后的三维模型进行网格划分，得到有限元模型。该电子设备模块结构所采用的材料为铝合金5A06，其弹性模量为70 GPa，泊松比为0.3，密度为2 640 kg/m3，屈服强度为155 MPa[4]。

1.2    力学环境条件

根据设计要求，该球载雷达电子设备结构需承受冲击、随机振动等力学环境载荷的作用而不会失效，其力学试验条件如表1、表2所示。

2    模态分析

模态分析是结构动力学分析的基础，因此，在瞬态动力学和随机振动仿真分析前，应先进行模态分析。仿真计算后，可得到结构的固有频率和振型。结构的低阶模态对振动响应的影响较大，本文只列出前6阶的固有频率，如表3所示。

由表3可知，该结构的前6阶固有频率较高，均大于500 Hz，有效避开了外部工作环境的激励频率，可以避免该电子设备结构发生共振损坏。该电子模块结构的前6阶振型均为局部变形，模块整体结构的刚度较好。

3    冲击仿真分析

按照冲击试验的力学条件对该电子设备结构进行瞬态动力学仿真分析。施加载荷和边界条件，将结构的材料阻尼系数设置为0.03，冲击载荷的作用时间为11 ms，为了能够捕捉冲击载荷作用下整个过程的结构响应，将仿真计算时间设置为20 ms。经过仿真分析，可得到结构响应结果，如表4所示。

由表4中的结果可知，在X、Y、Z三个方向冲击载荷作用下，X向结构响应最剧烈（图2），结构响应的最大变形为4.63×10-4 mm，最大应力为5.23×10-2 MPa。因此，该电子设备结构设计可以满足冲击环境的要求，安全裕度较大。

4    随机振动仿真分析

采用PSD方法进行随机振动仿真分析，按表2中的数据设置载荷和边界条件，分别得到X、Y、Z三个方向载荷作用下的最大变形和最大应力，按照设计经验，通常按照3σ响应结果进行分析（不出现大于此值情况的概率为99.7%），最大3σ变形云图和最大3σ应力云图如图3所示。

综合比较图3结果可知，该电子设备在Y向载荷作用下随机振动的响应最大，最大3σ变形为2.7×10-4 mm，最大3σ应力为0.046 5 MPa，小于材料的屈服强度，满足随机振动力学环境要求。

5    结语

本文以某球载雷达电子设备为研究对象，分析力学环境载荷作用对其结构刚强度的影响，完成了结构的模态分析、瞬态动力学冲击响应分析、随机振动分析，得到了冲击响应和随机振动响应的应力和变形结果，验证了该设备结构满足产品抗力学环境的设计要求。

[参考文献]

[1] 张志富.系留气球雷达系统空中结构总体设计[J].西安航空学院学报，2019，37（1）：37-41.

[2] 李科选，王美焰，孙浩，等.某型雷达数字阵列模块结构设计与分析[J].机械与电子，2018，36（10）：27-30.

[3] 李齐兵，敬敏，张梁娟，等.某机载单元随机振动疲劳分析[J].电子机械工程，2018，34（6）：32-35.

[4] 一般工业用铝及铝合金板、带材 第2部分：力学性能：GB/T 3880.2—2012[S].

收稿日期：2020-05-06

作者简介：孙明迁（1989—），男，安徽蚌埠人，硕士研究生，结构设计师，研究方向：雷达电子设备结构设计。