某机载电子设备的抗振能力分析

金恒林

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

引言

随着国防科技工业的飞速发展机载电子设备的集成化程度不断提高，设备功能也日趋复杂，电子设备在使用过程中不可避免的受到各种机械力，如振动冲击及离心力的等，尤其是机载环境条件，例如战机完成特殊飞行动作过程、战机起飞或巡航等，机载电子设备必须能长期承受复杂振动和冲击载荷带来的考验，同时，因战机自身重量指标严格内部空间有限，对于机载电子设备体积和重量均有严苛的要求，则需要通过机载电子设备设计过程中对设备进行良好的可靠性分析以满足小型化轻量化的设计要求。本文针对某机载电子设备适装平台的严酷环境适应性要求，首先开展设备结构设计然后基于ANSYS Workbench对设备的抗振性能进行仿真分析，再通过振动试验以验证设备结构设计方案能否满足机载环境适应性要求。

1 结构组成

某机载电子设备主要由安装接口板、功能模块、散热器、风机、对外接口组成，如图 1所示，安装接口板上均布有16个M5螺纹孔用于设备装机使用，风机通过小型隔振器安装于散热器上。由于此电子设备振动条件严酷，因此对设备内部全部进行加固设计，为减轻机载电子设备重量，同时兼顾使用要求，所有金属结构件均采用铝合金5A06，设备内部全部选用不锈钢紧固件，总重量大约为3.5 kg。机载电子设备采用的材料和参数如表 1所示。

表1 材料及其性能参数

图1 某机载电子设备结构组成示意图

2 耐久振动分析

某机载电子设备耐久振动形式为随机振动，随机振动是最常见的非确定性振动形式之一，其具有波形不确定性、幅值和相位变化不可预知性等特点，通常采用均值、方差、功率谱等统计分析方法[1]。随机振动分析是采用功率谱密度作为输入激励以确定响应出现特征值的概率大小的频域分析方法，在工程计算中，通常被假定材料的物理性是各向同性的，物理过程为线性、平稳，满足高斯分布类型[2]。

2.1 耐久振动试验条件

某机载电子设备功能振动试验条件根据GJB 150.16A《军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验》中规定典型喷气式战斗机频谱曲线确定，如图 2所示。

图2 喷气式飞机外挂设备振动频谱

根据要求某机载电子设备耐久振动量级W1=0.03、W2=0.18，f1=300 Hz、f2=1 000 Hz，耐久振动时间为每方向10h。

2.2 有限元模型

分析时对设备模型进行合理简化。由于研究对象为设备本身结构件，风机采用隔振安装，所以对风机进行等效重量处理，并且忽略设备不重要倒圆和倒角以及连接孔处的螺纹，有影响的特征进行详细建模。基于ANSYS Workbench对设备简化模型进行自适应网格划分，生成341 807个节点和175 764个单元。对设备安装螺钉位置圆孔处施加全位移约束。

螺钉安装位置采用Beam单元模拟，在安装板上16处安装孔装置位置施加全位移约束。

2.3 模态分析

模态分析主要用于求解结构的固有频率和分析相应的振型，模态分析结果是检验其结构合理性、安全性的重要指标，是后续分析的基础。耐久振动分析中施加的振动谱频率范围为（15~2 000）Hz，提取该机载电子设备耐久振动仿真的前6阶模态，前6阶固有频率值，如表2所示，仿真分析结果表明，设备固有频率较高，整体刚度较好，前6阶模态主要表现为天线整体摆动变形。前6阶模态分析结果如图 3所示。

图3 设备前6阶模态分析结果

表2 模态分析结果

2.4 耐久振动响应结果分析

三个方向随机振动分析结果响应如图 4~6、表 3~5。

图4 航向的振动响应结果

表3 航向的振动响应结果

航向振动响应结果如图 5和表 3所示。侧向振动响应结果如图 5和表 4所示。侧向振动响应结果如图 6和表 5所示。

表5 垂向的振动响应结果

图6 垂向的振动响应结果

表4 侧向的振动响应结果

图5 侧向的振动响应结果

铝合金5A06的屈服强度160 MPa，从分析结果可以看到，结构在所给随机振动条件下发生的最大应力响应为118.9 MPa，小于材料的疲劳极限应力，所以结构件出现破坏概率比较小，能够承受在机载环境中产生的随机振动载荷。

3 验证试验

对机载电子设备耐久振动存在的破坏风险主要有两种：

1）在某一高量级激振频率下机载电子设备出现共振现象，最终因振动引起结构件内应力超过设备材料强度极限而破坏；

2 )在长期的振动或多次反复冲击载荷作用下造成机载电子设备材料疲劳破坏。

由于耐久振动试验条件的严苛性，三个方向振动量级均超过20 g，每个方向考核时间为10 h，振动频率最2 000 Hz，根据高斯三区间法[3]结合仿真分析数据计算某机载设备出现疲劳破坏概率极小，但是为了保障设备的可靠性，使其适应飞机的各种振动、 冲击环境，且考虑到仿真分析与实际情况存在一定偏差，则采用振动试验验证，以确保设备安全可靠。

3.1 试验安装

某机载电子设备通过16处M5装机螺纹孔安装于专用振动夹具上，再将振动夹具固定于振动试验台上，航向和侧向试验安装于水平振动试验台，垂向试验安装于垂向振动试验台，耐久振动试验顺序为：航向→侧向→垂向，安装图如图 7所示。

图7 振动试验安装

3.2 试验控制曲线

航向、侧向和垂向耐久振动试验控制和检测频谱分别如图 8所示。

图8 航向耐久振动试验频谱

3.3 试验结果

受试样品按试验条件的要求分别完成了10 h耐久试验，受试件所有结构件无破坏，并且试验全过程监测风机和散热器壳体上响应，试验后加电检测风机能正常转动，证明风机和风机隔振器完好。响应监测曲线如图 9所示。

图9 风机和散热器壳体响应监测曲线图

4 结论

针对某机载电子设备，采用振动仿真分析和振动试验的方法探究了其抗振能力满足设备使用要求，完成主要工作如下：

1）模态分析结果显示某机载电子设备固有频率较高，整体刚度较好，前6阶模态主要表现为天线整体摆动变形；

2）分析了结构在所给随机振动条件下发生的最大应力响应为118.9 MPa（侧向耐久振动时），小于材料的疲劳极限应力，所以结构件出现破坏概率比较小，能够承受在机载环境中产生的随机振动载荷，结构有足够的动态承载能力；

3）通过耐久振动试验验证某机载电子设备结构件无破坏，且风机和风机隔振器完好。

图9 风机和散热器壳体响应监测曲线图