某系統(tǒng)級電子裝備隨機(jī)振動試驗(yàn)方案優(yōu)化技術(shù)*

楊 靜，彭 超，王曉紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某系統(tǒng)級電子裝備隨機(jī)振動試驗(yàn)方案優(yōu)化技術(shù)*

楊 靜，彭 超，王曉紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

隨機(jī)振動試驗(yàn)是考察電子裝備結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵項(xiàng)目。系統(tǒng)級電子裝備集成化程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若采用傳統(tǒng)方法制定其隨機(jī)振動試驗(yàn)方案，則周期長且成本高。文中以某星載系統(tǒng)級天線模塊為分析對象，提出了一種基于動態(tài)響應(yīng)分析的系統(tǒng)級電子裝備隨機(jī)振動試驗(yàn)方案優(yōu)化技術(shù)。通過建立合理的有限元模型并進(jìn)行振動響應(yīng)計(jì)算，能夠快速獲得天線模塊結(jié)構(gòu)各部分的振動響應(yīng)，從而指導(dǎo)試驗(yàn)條件優(yōu)化和響應(yīng)點(diǎn)布置。該分析結(jié)果也可為系統(tǒng)級電子裝備結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論支撐。

系統(tǒng)級電子裝備;天線模塊;隨機(jī)振動試驗(yàn);振動響應(yīng);有限元仿真

引 言

在衛(wèi)星發(fā)射過程中，電子裝備往往會受到機(jī)械環(huán)境載荷的作用，機(jī)械結(jié)構(gòu)作為保護(hù)和支撐電子元器件的主要載體，其結(jié)構(gòu)性能需滿足使用要求。隨機(jī)振動試驗(yàn)作為考核星載電子裝備環(huán)境適應(yīng)性的一個主要項(xiàng)目，是評估產(chǎn)品抗振性能、耐振強(qiáng)度以及可靠性指標(biāo)好壞的最基本的試驗(yàn)手段，在電子裝備篩選、驗(yàn)收和交付試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用[1]。由于航天、航空結(jié)構(gòu)及其附屬結(jié)構(gòu)的振動問題通常以振動試驗(yàn)結(jié)果為最終判據(jù)[2]，因此合理制定試驗(yàn)方案對產(chǎn)品可靠性測試影響重大，其中試驗(yàn)條件制定和響應(yīng)點(diǎn)布置是試驗(yàn)方案中需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。目前，國內(nèi)外均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定和規(guī)范隨機(jī)振動試驗(yàn)，如美國國防部的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境工程考慮和試驗(yàn)室試驗(yàn)》和我國的《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法振動試驗(yàn)》等[1]。

對于單機(jī)級電子裝備，通常依靠規(guī)范、工程經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)來制定試驗(yàn)方案。而對于集成化程度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)級電子裝備，若仍采用傳統(tǒng)方法來確定試驗(yàn)條件和響應(yīng)點(diǎn)布點(diǎn)位置，則成本高且周期長，并且受試驗(yàn)設(shè)備和測點(diǎn)數(shù)量的局限，試驗(yàn)時也不能同時獲得系統(tǒng)級電子裝備各部分的響應(yīng)特性[3]。隨著有限元仿

真技術(shù)在航天航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[4-6]，越來越多的設(shè)計(jì)師通過仿真方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本文以某星載系統(tǒng)級天線模塊電子裝備為研究對象，提出了基于動態(tài)響應(yīng)分析的系統(tǒng)級電子裝備試驗(yàn)方案優(yōu)化技術(shù)，嘗試將仿真技術(shù)應(yīng)用于隨機(jī)振動試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，以快速得到系統(tǒng)級天線模塊各部分的動態(tài)響應(yīng)，并且指導(dǎo)試驗(yàn)條件優(yōu)化和響應(yīng)點(diǎn)布置，達(dá)到節(jié)約成本、減小產(chǎn)品研制周期和提高設(shè)計(jì)效率的目的。

1 試驗(yàn)方案優(yōu)化流程

基于動態(tài)響應(yīng)分析的系統(tǒng)級電子裝備隨機(jī)振動試驗(yàn)方案優(yōu)化流程如圖1所示。首先，根據(jù)電子裝備結(jié)構(gòu)特征和工程特性建立合理的有限元模型，同時依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)給定初始的試驗(yàn)條件。然后進(jìn)行隨機(jī)振動仿真計(jì)算，提取響應(yīng)點(diǎn)的振動響應(yīng)，判斷響應(yīng)是否滿足指標(biāo)要求。若滿足，則按初始試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)；若不滿足要求，則需要對初始試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，重新進(jìn)行仿真計(jì)算和振動響應(yīng)分析，直至振動響應(yīng)滿足指標(biāo)要求。最后，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果確定試驗(yàn)條件和響應(yīng)點(diǎn)布置位置，并進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)。

圖1 隨機(jī)振動試驗(yàn)方案優(yōu)化流程

2 有限元模型

某星載雷達(dá)天線模塊采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主結(jié)構(gòu)為裂縫波導(dǎo)天線，天線上裝有多個電性能單機(jī)。整個天線模塊重4 kg，結(jié)構(gòu)緊湊，各單機(jī)結(jié)構(gòu)形式各異。綜合考慮分析要求和計(jì)算機(jī)硬件要求，建立有限元模型時做了如下簡化和處理：

1)對對系統(tǒng)振動特性影響大的天線模塊主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)建模，單機(jī)內(nèi)的元器件采用質(zhì)量點(diǎn)處理，以確保有限元模型的總質(zhì)量、質(zhì)量分布和質(zhì)心與幾何模型一致；

2)天線模塊主要采用殼單元和實(shí)體單元模擬；

3)天線和單機(jī)之間的連接以及單機(jī)之間的連接均為螺釘連接，采用剛性單元模擬，單機(jī)蓋板和腔體的焊接采用共節(jié)點(diǎn)方式處理；

4)天線模塊材料包括鋁合金和鈦合金，臨界阻尼比取為0.03。

圖2為通過Hypermesh軟件建立的有限元模型。

圖2 天線模塊有限元模型

3 初始試驗(yàn)條件設(shè)定

表1為根據(jù)指標(biāo)要求確定的天線模塊上各單機(jī)的試驗(yàn)條件。由于系統(tǒng)級天線模塊試驗(yàn)條件難以確定，因此暫將單機(jī)試驗(yàn)條件設(shè)定為天線模塊的初始試驗(yàn)條件。

表1 隨機(jī)振動分析輸入條件

4 隨機(jī)振動仿真分析

本文采用模態(tài)疊加法進(jìn)行X、Y、Z方向隨機(jī)振動分析。模態(tài)分析是進(jìn)行隨機(jī)振動分析的基礎(chǔ)，仿真時提取了2 000 Hz以內(nèi)的所有模態(tài)，計(jì)算得到天線模塊的基頻為400 Hz，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對剛度的要求(基頻大于100 Hz)。

隨機(jī)振動分析發(fā)現(xiàn)，天線模塊上加速度響應(yīng)的最大區(qū)域位于中間位置單機(jī)處，圖3為提取的加速度響應(yīng)分布云圖。X、Y、Z方向隨機(jī)振動時中間位置單機(jī)安裝位置的均方根加速度值分別為25.9g、32.9g和79.5g，較初始試驗(yàn)條件(見表1)分別放大了1.8倍、2.3倍和5.5倍。

圖3 X、Y、Z三個方向的振動響應(yīng)

綜合X、Y、Z方向隨機(jī)振動時的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，Z方向隨機(jī)振動時天線模塊的應(yīng)力最大，如圖4所示。取安全系數(shù)1.5，按最大米塞斯應(yīng)力3σ進(jìn)行強(qiáng)度校核。天線模塊上除天線外的其他單機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全裕度均大于0，滿足設(shè)計(jì)要求；而鋁合金材料天線的1σ應(yīng)力最大值為30 MPa，該材料屈服強(qiáng)度為115 MPa，天線強(qiáng)度安全裕度小于0，不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖4 Z方向隨機(jī)振動時天線應(yīng)力分布

5 試驗(yàn)方案優(yōu)化

5.1 優(yōu)化依據(jù)和優(yōu)化方法

仿真計(jì)算表明，天線模塊基頻滿足剛度要求，而天線強(qiáng)度和模塊上單機(jī)振動響應(yīng)均不滿足指標(biāo)要求。隨后，按單機(jī)試驗(yàn)條件進(jìn)行天線模塊隨機(jī)振動試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單機(jī)結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)放大倍數(shù)與仿真分析結(jié)果相近，說明仿真分析過程合理可信。

由于受結(jié)構(gòu)總體給定重量指標(biāo)要求的限制，天線模塊重量增加空間有限，因此通過增重來提高天線剛度的辦法不可行。因此，從確保單機(jī)不產(chǎn)生過試驗(yàn)的角度考慮，將天線模塊試驗(yàn)條件由單機(jī)試驗(yàn)條件優(yōu)化為限幅控制，以保證天線模塊上單機(jī)安裝位置的最大振動響應(yīng)滿足單機(jī)指標(biāo)要求。

5.2 控制點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)選擇

控制點(diǎn)是電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)中作為閉環(huán)控制輸入的加速度計(jì)在振動臺臺面、夾具或被測設(shè)備上的具體位置。根據(jù)控制點(diǎn)的選取原則，將夾具上靠近與天線模塊的連接點(diǎn)處作為控制點(diǎn)的布點(diǎn)位置。

由于仿真分析得出天線模塊上中間位置單機(jī)處加速度響應(yīng)較大，因此測試時將響應(yīng)點(diǎn)布置在中間位置單機(jī)響應(yīng)較大的安裝位置附近，如圖3(c)所示。

6 隨機(jī)振動試驗(yàn)

對天線模塊分別進(jìn)行X、Y、Z方向的隨機(jī)振動試驗(yàn)，試驗(yàn)夾具選用鋁合金材料，經(jīng)分析，夾具結(jié)構(gòu)基頻大于2 000 Hz，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：響應(yīng)點(diǎn)的均方根加速度響應(yīng)值控制在14.33g以內(nèi)，完全滿足單機(jī)的指標(biāo)要求，且天線模塊振后結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)生強(qiáng)度破壞，經(jīng)測試電訊指標(biāo)也滿足要求，如圖5所示。

圖5 隨機(jī)振動試驗(yàn)

7 結(jié)束語

本文提出了一種基于動態(tài)響應(yīng)分析的系統(tǒng)級電子裝備隨機(jī)振動試驗(yàn)方案優(yōu)化技術(shù)，可快速且同時獲得系統(tǒng)級電子裝備各個結(jié)構(gòu)部位的動態(tài)響應(yīng)，在指導(dǎo)試驗(yàn)條件優(yōu)化和響應(yīng)點(diǎn)布置的同時，還可為結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。相對于傳統(tǒng)依靠設(shè)計(jì)規(guī)范、工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)法優(yōu)化試驗(yàn)方案的模式，該方法可降低產(chǎn)品的研制成本，縮短研制周期。它已成功應(yīng)用在某星載系統(tǒng)級天線模塊隨機(jī)振動試驗(yàn)條件的制定中。

[1] 馬紅衛(wèi). 隨機(jī)振動試驗(yàn)中確定控制點(diǎn)布置方案的方法[J]. 可靠性與環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)及評價, 2015, 33(3): 26-30.

[2] 姜節(jié)勝, 高躍飛, 顧松年. 環(huán)境振動試驗(yàn)技術(shù)的若干新進(jìn)展[J]. 機(jī)械強(qiáng)度, 2005, 27(3): 307-311.

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[4] 管宇輝. 某星載設(shè)備環(huán)境綜合仿真[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2013, 26(6): 88-95.

[5] 吳孟武, 黃春江. 某星載設(shè)備環(huán)境綜合仿真[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2013, 26(6): 88-95.

[6] 王尚禮. 某航空機(jī)箱動力學(xué)性能仿真技術(shù)研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué), 2012.

楊 靜(1982-)，女，博士，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真、測試研究工作。

Optimization Technology for Random Vibration Test Scheme ofSystem-level Electronic Equipment

YANG Jing，PENG Chao，WANG Xiao-hong

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The random vibration test is the key to the structure reliability test of the electronic equipment. Because of high integration and complicated structure of the system-level electronic equipment, the traditional random vibration test works with long cycle and high cost. Based on dynamic response analysis, the random vibration test scheme optimization technology of the system-level electronic equipment is proposed for a space-borne system-level antenna module. The structure vibration response of the antenna module can be obtained quickly by setting up a reasonable FEM model and carrying out vibration response computation. The results can provide guidance for the test conditions optimization and the response point arrangement and supply theoretical basis for the structure stiffness & strength design of the system-level electronic equipment.

system-level electronic equipment; antenna module; random vibration test; vibration response; FEM simulation

2015-12-03

TP391.9

A

1008-5300(2016)03-0005-03