某弹载电源单元随机振动分析

胡文超，毛丽娜，张 池

(合肥华耀电子工业有限公司，安徽 合肥 230009)

0 引言

导弹及航天技术是当今国防发展中重要的技术领域之一，随着导弹技术的不断发展，导引头也在向小型化、轻量化、精密化方向发展，同时对结构的环境适应性也提出了更高及更全面的要求[1]。根据对电子设备故障数据统计，由振动和冲击引起的电子系统失效的比例高达27%[2]。电源单元作为导引头雷达设备的供电设备，其可靠性至关重要。为了保证电源单元的可靠性，提高设计质量、缩减研发经费及周期，在结构设计时通过有限元法对电源单元进行随机振动分析，校核其结构的刚强度，验证其可靠性。

1 电源单元构成

电源单元如图1所示，由于导引头结构形式的限制，电源单元结构形式为“H”型，它主要由左侧壳体、右侧壳体、左侧盖板、右侧盖板、转接盒、挡板、输入电连接器、输出电连接器以及印制板等构成。根据设计需求，它通过底部4-Φ6.5以及8-Φ4.5孔进行固定，且在电源单元中部安装重量约为7.2 kg的机箱，机箱通过减振器与电源单元连接。

图1 电源单元构成

2 有限元模型

有限元分析的步骤一般包含前处理(建立有限元模型)、生成并求解有限元模型的方程组、提取结果。有限元模型一般包含离散化几何模型、材料参数、载荷及边界条件。

2.1 离散化几何模型

离散化几何模型就是将连续的几何模型离散成有限个单元，并在每一个单元中设置节点，从而将连续的几何体看作仅在节点处相连接的一组单元和节点的集合(网格)，从而将连续域中无限自由度问题转化为离散域中有限自由度问题。离散化程度越高，节点数量及单元数量越多，计算精度越高，对计算机的需求越高，计算时间越长。因此在进行离散时需同时兼顾计算精度与计算量，通常在导入CAD模型时对模型进行必要的简化。针对本文中电源单元，主要进行以下简化：

(1)删除连接器焊针、螺纹孔、倒角等不影响结构的特征。

(2)由于机箱通过隔振器与电源单元连接，因此将机箱简化成质量点加在电源单元固定点上。

(3)螺钉连接采用梁单元处理。

(4)印制板上部分器件通过等效质量法处理。

电源单元结构均采用实体单元建模，采用Hex Dominant网格划分，有限元模型如图2所示，划分完成后单元数量为654 902，节点数量为2 967 815。

电源单元实际安装坐标系如图2所示，x方向为与转接盒垂直的方向，y方向为两个输入连接器连线的方向，z轴通过右手定则确定。

图2 电源单元有限元模型及坐标系

2.2 材料参数

电源单元所有壳体及盖板材料为铝板2A12-T4，印制板材料采用覆铜环氧玻璃布板，各材料力学参数见表1。

表1 材料力学参数

2.3 边界条件及载荷条件

电源单元通过底部4-Φ6.5以及8-Φ4.5孔进行固定，且在电源单元中部安装重量约为7.2 kg的机箱，机箱通过减振器与电源单元连接，三方向随机振动载荷见表2，控制点为设备安装处，每方向6 min。

表2 电源单元随机振动载荷

3 模态分析

模态分析是所有振动分析的基础[3]，通过模态分析可以评价现有结构的动态特性参数，为新产品的结构设计及优化提供依据，可以对结构系统的故障进行预报及诊断等。通过对电源单元底部固定孔进行固定约束，进行模态分析，得出电源单元的基频为304.01 Hz，电源单元前6阶模态振型如图3所示。

图3 电源单元前6阶模态振型

4 随机振动分析

对电源单元进行随机振动分析，设置阻尼比为0.03，随机振动条件见表2，得出壳体的最大3σ应力及3σ变形云图如图4所示。

图4 随机振动载荷下壳体最大3σ应力及3σ变形云图

通过分析可知，在随机振动载荷下，电源单元壳体的最大3σ应力为172.72 MPa，最大3σ变形为0.31 mm。

根据GJB1544-1992《战术导弹强度与刚度通用规范》中关于安全系数的规定：

(1)对于挂飞、投放、发射、弹射和初始的自主飞行状态，取1.50。

(2)除(1)所指的初始自主飞行状态以外的自主飞行状态，取1.25。

(3)对于运输、装卸和其他非飞行状态，取1.50。

由于本文中电源单元需要经过运输、挂飞、发射等状态，因此安全系数取1.50。根据仿真分析的结构计算电源单元壳体安全系数为：

通过计算，电源单元壳体安全系数为1.59，满足弹载产品使用环境要求。最大3σ变形为0.31 mm，为电源单元顶部整体的变形，对内部影响较小，刚度满足弹载产品使用环境的要求。

5 结论

本文详细介绍了弹载电源单元的有限元仿真分析过程，得出了电源单元在随机振动载荷条件下的响应值，对电源单元的刚强度进行了校核，结果证明电源单元的结构设计强度及刚度满足弹载产品使用环境要求。