一種CPCI總線的機載設(shè)備抗振設(shè)計*

陳越惠,葉發(fā)亮,沈巍巍

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

一種CPCI總線的機載設(shè)備抗振設(shè)計*

陳越惠,葉發(fā)亮,沈巍巍

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

介紹了基于CPCI總線的機載電子設(shè)備的母版振動問題,從故障現(xiàn)象入手,對故障原因進行理論分析,借助仿真手段,比較結(jié)構(gòu)設(shè)計改進前后的變化,通過環(huán)境實驗,從理論和實踐兩方面解決了機載設(shè)備母版振動設(shè)計問題。

CPCI;機載;抗振設(shè)計

0 引 言

電子設(shè)備在使用過程中不可避免的受到各種機械力——振動、沖擊及離心力的作用[1]。尤其是在機載環(huán)境下,在飛機的起飛和巡航過程中,機載電子設(shè)備需承受較大量級的復(fù)雜振動和沖擊載荷。然而,由于機載環(huán)境對于電子設(shè)備體積、重量的苛刻要求,需要我們在電子設(shè)備設(shè)計過程中在滿足重量、散熱的前提下,對設(shè)備進行良好的可靠性設(shè)計[2]。

CPCI(Compact PCI)是國際工業(yè)計算機制造者聯(lián)合會提出來的一種總線接口標準,是以PCI電氣規(guī)范為標準的高性能工業(yè)用總線。在電氣特性上,CPCI總線以PCI電氣規(guī)范為基礎(chǔ),解決了VME等總線技術(shù)與PCI總線不兼容的問題;在機械結(jié)構(gòu)上,CPCI總線具有很好的抗震性和通風(fēng)性,而且還可以從前面板拔插板卡,使更換和維修板卡極為方便。CPCI所具有可熱插拔、高開放性、高可靠性,使得其在軍用電子系統(tǒng)中廣泛運用。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)和振動問題

某機載分析接收機是基于CPCI總線的標準19英寸8U單機,該分析接收機由機箱、風(fēng)機、模塊、母版和各種器件組成,單機共有14個槽位,其中CPCI主板厚度為28.5,其余模塊均為4HP,單機共有12個模塊,具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

該機載單機在隨機振動(Z方向)過程中出現(xiàn)振動問題:母板的四個角出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,如圖3所示。

圖1 某分析接收機外形示意圖

圖2 某分析接收機結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動問題分析和解決辦法

2.1 問題分析

(1)由于單機里面的模塊是用鎖緊條固定在上下的導(dǎo)軌板上,剛性較好。導(dǎo)軌板固定在側(cè)板上,側(cè)板只有2.5 mm厚,上下導(dǎo)軌板連接的剛性不好,振動的時候兩塊導(dǎo)軌板之間就會產(chǎn)生相對位移,從而拉扯固定在導(dǎo)軌后面的母板,同時單機模塊安裝的不均勻,模塊重心偏離單機的水平幾何中心上,使得對母板的拉扯力也不平均,四個角上受到的力最大,所以四個角最容易破裂,母版的安裝示意圖如圖4所示。

圖3 振動后的母版圖

圖4 母版安裝示意圖

(2)母板上固定孔離邊緣太近,四個角上的孔(孔直徑3.5 mm)中心離豎直方向的邊緣4 mm,離左右水平方向的邊緣3.5 mm,在受力情況下能夠承載力的地方太小,造成應(yīng)力集中,容易破裂。

2.2 解決辦法

母版的斷裂是由于側(cè)板太薄,使得母版在振動時產(chǎn)生相對位移所致,所以一種解決辦法是加大側(cè)板的厚度,這樣可以提高上下導(dǎo)軌板連接的剛性。但是這會大大增加單機的整體重量,這對于機載設(shè)備嚴格控制重量來說,顯然不是最好的解決辦法。所以我們考慮能不能將固定母版的上下導(dǎo)軌板作為一個整體,減少因為上下導(dǎo)軌板相對位移對母版產(chǎn)生的拉扯。為了解決這個問題,在兩塊導(dǎo)軌板中間靠近兩個側(cè)板的地方增加兩塊加強板,將上下兩塊導(dǎo)軌板連成一體,然后再整體固定在機箱的側(cè)板上,用來增加上下導(dǎo)軌和側(cè)板連接處的剛性,減少側(cè)板變形導(dǎo)致的上下導(dǎo)軌板位移,同時對加強板進行開槽減重處理,這樣在控制單機重量的前提下,提高了上下導(dǎo)軌的剛度,減少了母版相對位移,避免了母版安裝孔的應(yīng)力過度集中,加強版安裝位置示意圖如圖5所示。

母板固定孔距離邊緣的距離每邊各增加2 mm,母板與導(dǎo)軌之間的接觸面上增加彈性襯墊,避免母板跟導(dǎo)軌板相互摩擦而產(chǎn)生的短路問題,改進后母板示意圖如圖6所示。

圖5 加固后的母版示意圖

圖6 母板改進示意圖

3 實驗論證

在對振動問題分析完成后,對母版兩種不同的固定方式進行了實驗驗證,包括仿真分析和環(huán)境實驗,仿真分析通過Ansys完成,環(huán)境實驗通過模擬實際工況的試驗臺進行。

3.1 振動仿真

(1)改進前的模型仿真試驗結(jié)果,如圖7所示。(2)改進后的模型仿真試驗結(jié)果,如圖8所示。

圖7 未改進的模型仿真結(jié)果

圖8 改進后的模型仿真結(jié)果

由圖7可看出,位移最大的地方位于母板的的右下角,最大位移0.27 mm。由圖8可看出,現(xiàn)在最大位移為0.11 mm。

結(jié)論:經(jīng)過兩個加固板進行固定以后,母板上最大的位移量可以減小到原來的0.3～0.4,可以明顯減小導(dǎo)軌板對母版的拉扯。

3.2 改進后接收機的環(huán)境實驗

改進后的接收機重新進行了振動、沖擊和加速度試驗,如圖9。設(shè)備安裝位置L1=0.3 g2/Hz;螺旋槳通過頻率(螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)乘以槳葉數(shù)量)F1=71.5 Hz;F2= 2F1;F3=3F1;F4=4F1;尖峰帶寬為中心頻率的±5%。

圖9 振動譜

單機按實際工作方向安裝(帶減振器)在振動臺上,分別在X、Y、Z三軸向各向振動1 h。

功能沖擊:半正弦波6 g,持續(xù)時間11ms,試品分別進行3個軸向6個方向的沖擊試驗,每方向沖擊3 次,共18次沖擊試驗。

墜撞安全沖擊:半正弦波15 g,持續(xù)時間11 ms,試品分別進行3個軸向6個方向的沖擊試驗,每方向沖擊2次,共12次沖擊試驗。

加速度結(jié)構(gòu)安全實驗值如下:前為1.5 A,后為4.5 A,上為6.75 A,下為2.25 A,左為3.0 A,右為3. 0 A,其中加速度 A=1.0 g,加速度方向定義與GJB150.15相同。

以上試驗完成后單機結(jié)構(gòu)和性能指標都正常。

4 結(jié) 論

機載平臺與其他平臺相比有著自身的特殊性,主要表現(xiàn)在機載電子設(shè)備在使用過程中會受到飛機發(fā)動機振動、飛機外部氣流干擾以及飛機的起飛、著陸等產(chǎn)生的振動和沖擊。因此,在機載設(shè)備設(shè)計中一定要充分考慮抗振設(shè)計,筆者以CPCI總線結(jié)構(gòu)的單機設(shè)計為例,通過對故障理論分析、仿真分析和環(huán)境實驗為手段,驗證了采用以上抗振設(shè)計方法可以滿足機載條件下電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力[3]。

[1]邱成悌.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2002.

[2]譚朝陽.電子設(shè)備抵抗外界影響及破壞的技術(shù)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2003,32(6):628-631.

[3]生建友.機載電子設(shè)備的防振動抗沖擊設(shè)計[J].電子機械工程,1999(2):45-47.

Anti-Vibration Design for Airborne Device on CPCIBus

CHEN Yue-hui,YE Fa-liang,SHENWei-wei
(No.36 Research Institute ofCETC,Jiaxing Zhejiang 314033,China)

In this paper,vibration problem of themotherboard ofairborne electronic device on CPCIbus is described.Starting with the fault phenomenon,reasons of the problem are analyzed theoretically,and differences between before and after the design improvement are compared with the simulation tools.After that,environmentalexperiment is conducted to prove the idea. In the end,the vibration problem of themotherboard of airborne device is solved theoretically and practically.

CPCI;airborne;anti-vibration design

TH12

A

1007-4414(2015)06-0113-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.041

2015-09-08

陳越惠(1989-),男,浙江嘉興人,助理工程師,主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。