某機載雷達電子設(shè)備隨機振動分析*

黃 瀟

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某機載雷達電子設(shè)備隨機振動分析*

黃 瀟

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

機載電子設(shè)備經(jīng)受的振動環(huán)境異常復(fù)雜，對電子設(shè)備進行隨機振動分析可以驗證機載振動環(huán)境下結(jié)構(gòu)的可靠性。文中首先采用有限元法對某機載雷達電子設(shè)備進行了模態(tài)分析，確定了結(jié)構(gòu)的振動特性；然后進行了隨機振動分析，得到了電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形云圖；最后根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)的剛強度進行了校核。結(jié)果表明，該電子設(shè)備的剛強度滿足設(shè)計要求，達到了驗證結(jié)構(gòu)可靠性的目的。

電子設(shè)備；可靠性；隨機振動

引 言

機載雷達在載機起飛、爬升、巡航、下降和著陸過程中會受到由多種因素導(dǎo)致的隨機振動的影響[1]。面臨如此復(fù)雜的環(huán)境條件，雷達電子設(shè)備在機載振動環(huán)境下的可靠性是一個值得關(guān)注的問題[2]。目前，模擬電子設(shè)備隨機振動的方法主要有力學(xué)試驗和有限元仿真2種。電子設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)往往需要反復(fù)修改才能滿足設(shè)計要求，如果僅依靠力學(xué)試驗驗證結(jié)構(gòu)的可靠性，就存在成本高、周期長等問題。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，通過有限元仿真進行結(jié)構(gòu)的剛強度分析，可顯著提高設(shè)計效率。

本文根據(jù)機載隨機振動的環(huán)境特點，對某電子設(shè)備進行了有限元建模、模態(tài)分析和隨機振動分析，得到了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和加速度響應(yīng)云圖，對結(jié)構(gòu)的隨機振動可靠性進行了校核。

1 有限元模型

1.1 有限元模型建立

對實際模型進行合理的簡化是進行有限元建模的基礎(chǔ)。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括機箱和內(nèi)部插件。在建模時簡化了對整個結(jié)構(gòu)剛度貢獻不大的元件，以質(zhì)量點等效；去除了模型中的倒角、圓角以及對分析結(jié)果影響較小的幾何特性，以減小分析規(guī)模。

按照上述簡化原則對實際模型進行了處理，建立了相應(yīng)的有限元模型，如圖1所示。具體的簡化方法和原則為：1)箱體、冷板和印制板主要采用殼單元和實體單元模擬；2)箱體各面板之間以及冷板與印制板之間的螺栓連接采用剛性單元模擬；3)印制板上小而輕的元器件以質(zhì)量點等效；4)箱體安裝孔位置采用全約束處理；5)仿真模型的質(zhì)量分布與實際模型一致。

圖1 有限元模型

1.2 材料參數(shù)

機箱和冷板材料均為鋁合金，印制板材料為FR-4，其材料參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

2 模型修正

有限元模型修正是結(jié)構(gòu)動力學(xué)的反問題，本質(zhì)上是一個系統(tǒng)辨識建模的問題。其做法是先用分析的方法建立有先驗性的有限元模型，當(dāng)該模型的動力特性不滿足要求時，依據(jù)試驗獲得的能反映結(jié)構(gòu)真實動力特性的模態(tài)參數(shù)來修正該有限元模型，使其獲得與實際測量值相一致的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)分析提供基準(zhǔn)模型[3]。電子設(shè)備中的印制板為復(fù)合材料，其材料參數(shù)更是難以確定，因此進行模型修正是非常必要的。本文首先對電子設(shè)備中的印制板1和印制板2的前3階自由模態(tài)進行了實測，然后采用優(yōu)化算法對有限元模型進行了修正。將模型修正之后的自振頻率分析結(jié)果與模態(tài)試驗結(jié)果進行了對比，誤差滿足要求，見表2。圖2和圖3給出了印制板1和印制板2第1階振型理論與實測結(jié)果的對比，振型圖吻合較好，表明了隨機振動分析所用模型的正確性。

表2 試驗與仿真分析頻率對比(自由模態(tài))

圖2 印制板1第1階振型對比

圖3 印制板2第1階振型對比

3 隨機振動分析

3.1 模態(tài)分析

在隨機振動分析之前，先對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)件的振動特性，即固有頻率和振型，它們是結(jié)構(gòu)承受動態(tài)載荷設(shè)計的重要參數(shù)。模態(tài)計算結(jié)果見表3。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

3.2 隨機振動分析

本文運用模態(tài)疊加法進行隨機振動分析，為了保證計算精度，分析時提取了頻率在2 000 Hz以內(nèi)的固有頻率和振型，臨界阻尼比取為0.03。圖4和圖5分別給出了隨機振動分析得到的結(jié)構(gòu)剛度最差方向的應(yīng)力和變形均方根響應(yīng)云圖。

3.2.1 應(yīng)力

圖4分別給出了電子設(shè)備整機、印制板1和印制板2的等效應(yīng)力云圖。從圖4可以看出：電子設(shè)備整機的最大應(yīng)力為19.24 MPa，出現(xiàn)在設(shè)備底板約束處；印制板1和印制板2的最大應(yīng)力分別為3.48 MPa和7.52 MPa，均出現(xiàn)在某一約束孔處。按照表1給出的材料強度值，安全系數(shù)取為1.5，并且按最大米塞斯應(yīng)力的3σ應(yīng)力進行校核，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

圖4 結(jié)構(gòu)隨機振動等效應(yīng)力云圖

3.2.2 位移

圖5分別給出了電子設(shè)備整機、印制板1和印制板2的變形云圖。從圖5可以看出：電子設(shè)備整機的最大變形為0.069 mm，出現(xiàn)在印制板1上；印制板2的最大變形為0.063 mm，印制板1和印制板2的最大變形均出現(xiàn)在板的中心部位。由此可知，結(jié)構(gòu)的最大變形小于許用量值，結(jié)構(gòu)變形滿足設(shè)計要求。

圖5 結(jié)構(gòu)隨機振動位移云圖

4 結(jié)束語

針對機載電子設(shè)備復(fù)雜的振動環(huán)境，利用有限元分析方法對該電子設(shè)備進行了模態(tài)分析和隨機振動分析，完成了電子設(shè)備剛度和強度的校核，達到了驗證結(jié)構(gòu)隨機振動環(huán)境可靠性的目的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，通過有限元仿真進行結(jié)構(gòu)的剛強度分析，可全面掌握結(jié)構(gòu)的剛強度分布，了解結(jié)構(gòu)的薄弱部位以及剛強度裕度較大的部位，可為后續(xù)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減重設(shè)計提供重要依據(jù)。

[1] 矯志寧. 某機載雷達發(fā)射機的隨機振動分析[J]. 電子機械工程, 2013, 29(2): 18-20.

[2] 李釗, 王志海. 基于有效模態(tài)質(zhì)量優(yōu)選法的機載雷達隨機振動分析[J]. 電子機械工程, 2015, 31(1): 1-6.

[3] 李世龍, 馬立元, 何佳, 等. 聯(lián)合整體和局部模態(tài)信息鋼管焊接結(jié)構(gòu)模型修正[J]. 噪聲與振動控制, 2014, 34(5): 27-33.

黃 瀟(1987-)，女，工程師，主要從事雷達仿真分析與優(yōu)化設(shè)計工作。

Random Vibration Analysis for Electronic Equipment of an Airborne Radar

HUANG Xiao

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The airborne electronic equipment works under the complex vibration environment. Its reliability can be validated by random vibration analysis. In this paper the modal analysis is carried out first for the electronic equipment of an airborne radar by the finite element method and the vibration characteristic of the structure is obtained. Then the stress and deforming graphs of the structure are obtained by random vibration analysis. Finally, the stiffness and strength performance of the airborne electronic equipment are verified according to the analysis result. The results show that the strength and stiffness of the electronic equipment meet the design requirements and the reliability of the electronic equipment is validated.

electronic equipment; reliability; random vibration

2015-12-24

TB123; TN959.73

A

1008-5300(2016)02-0010-03