壁掛式機載設(shè)備減振系統(tǒng)設(shè)計與分析

彭克俠，何海彬，楊 勇，胡 宇，符 浩

(北京航天控制儀器研究所， 北京 100094)

引 言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭逐步向信息化、電子化作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，預(yù)警類特種飛機隨之快速發(fā)展，其艙內(nèi)設(shè)備的種類與數(shù)量不斷增加，安裝空間日趨緊張，因而對艙內(nèi)設(shè)備的模塊化和集成化要求也越來越高[1]。與此同時，現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境對電子設(shè)備抵抗惡劣環(huán)境(主要包含電磁環(huán)境與力學(xué)環(huán)境)的能力也提出了較高要求。根據(jù)目前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由振動沖擊引起的電子系統(tǒng)的失效比例高達27%[2]。因此，設(shè)備減振系統(tǒng)設(shè)計的好壞在很大程度上影響著飛機整體的工作性能。

通過設(shè)計相應(yīng)的轉(zhuǎn)接支架，采用壁掛方式可以將艙內(nèi)中小型電子設(shè)備集成于工作臺，節(jié)省空間。但這種安裝方式將使減振器承受切向預(yù)應(yīng)力，與常規(guī)減振器設(shè)計時預(yù)應(yīng)力為軸向的原則相反[1]，在振動過程中必然發(fā)生剛度耦合[3]。因此，有必要對這種安裝方式的減振性能進行分析，為合理設(shè)計減振系統(tǒng)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)模型及有限元模型分析

1.1 結(jié)構(gòu)模型分析

本文的研究對象為壁掛式機載設(shè)備減振系統(tǒng)，其中，設(shè)備采用壁掛式安裝于工作臺垂直面，如圖1所示，減振器的安裝方式如圖2所示。

圖1 設(shè)備安裝方式

圖2 減振器安裝方式

1.2 轉(zhuǎn)接支架有限元建模

壁掛式機載減振系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)接支架、電子設(shè)備和減振器組件3部分組成。減振器組件為T型結(jié)構(gòu)，幾何模型簡單。轉(zhuǎn)接支架和電子設(shè)備的實際三維模型中包含圓角、斜角、螺釘孔和工藝孔等許多細微結(jié)構(gòu)特征，對振動響應(yīng)結(jié)果影響較小，但容易在有限元仿真分析過程中出現(xiàn)迭代發(fā)散。因此在保證支架整體結(jié)構(gòu)剛度、強度等力學(xué)性能以及轉(zhuǎn)動慣量、重心等質(zhì)量特性參數(shù)基本不變的情況下，對轉(zhuǎn)接支架和設(shè)備進行結(jié)構(gòu)簡化，并建立模型。同時為了盡可能得到質(zhì)量較好、運算效率較高的六面體網(wǎng)格，對減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行切割重組。最終的簡化模型如圖3所示，有限元模型如圖4所示。

圖3 簡化模型

圖4 有限元模型

2 基本理論

2.1 減振理論

根據(jù)阻尼振動理論及減振設(shè)計理論，可計算得到減振系統(tǒng)的傳遞率T(穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值與激勵幅值的無量綱比)[4]：

(1)

圖5 減振器外形及作用方向

2.2 隨機振動理論

隨機振動是當(dāng)系統(tǒng)受到隨機激勵時，系統(tǒng)激勵和響應(yīng)都是非確定的時間函數(shù)，不能用時間的確定性函數(shù)來描述[5]。但隨機振動服從概率統(tǒng)計規(guī)律，因此其振動規(guī)律可以采用概率統(tǒng)計方法來描述[6]。通常描述隨機振動響應(yīng)的方式為功率譜密度函數(shù)。由力學(xué)基本理論[6]可知，動力學(xué)方程為：

(2)

響應(yīng)功率譜密度函數(shù)矩陣為：

(3)

3 邊界條件設(shè)置

3.1 基本假設(shè)

1)振動時設(shè)備位移較小，在仿真過程中，可以假設(shè)減振系統(tǒng)始終處于線性狀態(tài)，不考慮非線性影響；

2)支架上下4個轉(zhuǎn)接支架與工作臺安裝點均采用同一振動激勵輸入。

3.2 模型材料設(shè)置

壁掛式減振系統(tǒng)中轉(zhuǎn)接支架與設(shè)備模型均采用鋁合金材質(zhì)，減振器套筒采用不銹鋼材質(zhì)。對于仿真過程中減振器材料的設(shè)置，可根據(jù)表1將系統(tǒng)阻尼比設(shè)為0.12，3種肖氏硬度的減振器彈性模量E可通過以下公式估計得出：

E= 3.57×105e0.034aN/m2

(4)

式中，a為橡膠常用肖氏硬度[2]。

表1 橡膠材料阻尼比和動剛度系數(shù)

3.3 振動條件設(shè)置

壁掛式機載設(shè)備安裝在螺旋槳飛機振動平臺上，其振動環(huán)境主要包含飛機起飛、著陸、滑跑時跑道顛簸的激勵、發(fā)動機振動激勵、發(fā)動機噴氣噪聲激勵、氣流激勵以及螺旋槳葉所帶動的旋轉(zhuǎn)壓力場變化等多種影響因素綜合產(chǎn)生的振動激勵[7]。機艙內(nèi)設(shè)備安裝平臺振動譜型[8]如圖6所示，其中L0與設(shè)備安裝位置有關(guān)。

圖6 螺旋槳飛機振動譜型

4 仿真運算與結(jié)果分析

通過選取不同肖氏硬度的減振器，完成壁掛式機載設(shè)備減振系統(tǒng)受X、Y、Z三向振動時的減振性能分析，并為減振器硬度選型提供依據(jù)。在仿真過程中，首先對減振系統(tǒng)進行預(yù)應(yīng)力分析，得出在重力及減振器預(yù)位移作用下的動力學(xué)響應(yīng)，并以此為初始條件進行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，得出減振系統(tǒng)在15～2 000 Hz內(nèi)的各階振型；然后基于模態(tài)疊加法，對減振系統(tǒng)進行隨機振動分析，分別選取掛架與減振器直接相連的部位以及托盤與設(shè)備直接相連的部位作為監(jiān)測點，其監(jiān)測值即為壁掛式機載設(shè)備的輸入激勵和減振后的動態(tài)響應(yīng)；最后通過仿真運算，得出掛架與機載設(shè)備上的振動響應(yīng)曲線，通過曲線運行規(guī)律對比，完成對減振系統(tǒng)減振性能的分析研究。

4.1 X、Y、Z三向減振性能分析

在進行X、Y、Z三個方向上的隨機振動仿真時，采用定量分析法，即受三向振動時，減振器均采用50°三向同性的丁腈橡膠減振器，軸向預(yù)位移為減振器軸向壓縮量的10%，即0.5 mm。以此為初始條件，采用先預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析后振動響應(yīng)分析的順序，得出減振系統(tǒng)中掛架與機載設(shè)備分別受三向振動時的響應(yīng)功率譜密度曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 X、Y、Z三向掛架響應(yīng)功率譜曲線

根據(jù)壁掛式機載設(shè)備減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，掛架為減振前的振動輸入端，設(shè)備為輸出端。由此壁掛式機載減振系統(tǒng)的減振效率即為設(shè)備、掛架振動量級差值與掛架振動量級的比值。結(jié)合圖7和圖8進行數(shù)據(jù)分析，可以得到壁掛式機載設(shè)備的減振效率，見表2。

表2 壁掛式機載設(shè)備受三向振動時的響應(yīng)結(jié)果

從表2和圖7所示的掛架在3個方向上的振動響應(yīng)曲線可以看出：X、Z方向上的響應(yīng)與輸入的螺旋槳飛機原始振動譜型基本一致，而Y方向上的響應(yīng)曲線變化較大，振動放大較為嚴重。同時從響應(yīng)曲線上的多處諧振峰可以分析得出，Y方向上轉(zhuǎn)接支架的結(jié)構(gòu)形式對掛架的振動響應(yīng)特性影響較為明顯。綜上所述，由于掛架在振動過程中發(fā)生共振，壁掛式機載設(shè)備轉(zhuǎn)接支架在Y方向的減振響應(yīng)情況較為復(fù)雜，振動環(huán)境更為苛刻。

從表2和圖8中機載設(shè)備受各向振動時的響應(yīng)量級可以看出：X、Z方向上的振動量級相近，Y方向上量級偏大，即在輸入相同振動激勵時，X、Z方向上設(shè)備所承受的振動量級低于Y方向，從而可以判定，設(shè)備在Y方向上所處的振動環(huán)境最為惡劣。根據(jù)受不同方向振動時設(shè)備的響應(yīng)量級(RMS)，可計算得出X、Z方向上減振效率為74.9%，Y方向上的減振效率為67.3%，減振器在X、Z方向的減振效率高于Y方向的減振效率。

4.2 減振器硬度對減振性能的影響

由于轉(zhuǎn)接支架受Y向振動時的減振響應(yīng)情況相對于X、Z方向更為復(fù)雜，因此為了優(yōu)化減振系統(tǒng)的設(shè)計，此處重點對受Y向振動時的響應(yīng)情況進行分析研究。基于控制變量法，減振系統(tǒng)保持除減振器硬度外的其他力學(xué)參數(shù)不變，振動方向均為Y向，減振器分別選取40°、50°、60°三種不同硬度進行仿真分析。經(jīng)仿真，減振系統(tǒng)在3種硬度條件下，掛架與設(shè)備上的振動響應(yīng)功率譜密度曲線分別如圖9和圖10所示。

圖9 40°、50°、60°減振器掛架振動功率譜曲線

圖10 40°、50°、60°減振器托盤振動功率譜曲線

對圖9和圖10的數(shù)據(jù)進行分析處理，可得到壁掛式機載設(shè)備減振系統(tǒng)采用3種硬度減振器時的振動響應(yīng)結(jié)果，見表3。

表3 壁掛式機載設(shè)備不同硬度振動響應(yīng)結(jié)果

對圖9和圖10所示的3種硬度減振器的響應(yīng)曲線規(guī)律進行對比發(fā)現(xiàn)：在減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相同的條件下，采用不同硬度減振器時，對應(yīng)響應(yīng)曲線的諧振點數(shù)量相同，曲線規(guī)律基本一致，但諧振頻率有所不同。根據(jù)掛架與設(shè)備的振動量級(RMS)可計算得出：單純考慮減振器效率時，40°減振效率為68.9%，50°為67.3%，60°為45.4%。隨著減振器硬度升高，減振效率降低，并且減振器硬度越大，其減振效率降低越快，這與傳統(tǒng)減振理論一致。

從圖9所示的采用不同硬度減振器時減振系統(tǒng)在掛架部位的響應(yīng)量級(RMS)可以看出，隨著減振器硬度的升高，掛架響應(yīng)量級反而降低。也就是說，雖然減振器硬度越大，減振效率越低，但由于掛架部位作為減振器的振動激勵輸入端，其振動量級隨硬度降低而放大，兩種規(guī)律疊加，最終導(dǎo)致整體設(shè)備轉(zhuǎn)接支架減振效率在50°時振動響應(yīng)量級最低。同時，從圖10所示的采用不同硬度減振器的減振系統(tǒng)在托盤位置的振動量級(RMS)可以看出，減振器硬度為50°時設(shè)備的響應(yīng)量級最低，40°其次，60°最低。

對減振系統(tǒng)振動響應(yīng)功率譜密度曲線進行對比分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備整體轉(zhuǎn)接支架減振效率復(fù)雜多變的關(guān)鍵原因是掛架受Y方向振動時的響應(yīng)規(guī)律與減振器的減振規(guī)律正好相反。掛架受Y向振動時的響應(yīng)規(guī)律之所以與減振器的減振規(guī)律正好相反，其原因是掛架在Y方向的剛度不強，自身可以等效為一組減振器，與其后連接的橡膠減振器形成多級減振形式。因此在后期減振設(shè)計過程中，需綜合考慮掛架的剛度和減振器的硬度。

5 結(jié)束語

通過對減振器受X、Y、Z三向振動時的減振性能進行的仿真分析發(fā)現(xiàn)，減振器在X、Z方向的減振效率高于Y方向，X、Z方向上的曲線值與輸入的螺旋槳飛機振動譜型基本一致，而Y方向上的功率譜曲線變化較大，減振響應(yīng)情況較為復(fù)雜；通過對受Y向振動時不同減振器硬度對壁掛式機載設(shè)備減振性能的影響進行的仿真分析發(fā)現(xiàn)，掛架部位作為減振器的振動激勵輸入端，其振動量級隨硬度降低而放大，這與減振器兩者相互疊加，致使轉(zhuǎn)接支架的減振效率復(fù)雜多變。

掛架受Y向振動時的剛度不強，會與橡膠減振器構(gòu)成多級減振系統(tǒng)。因此在進行減振設(shè)計過程中，需結(jié)合掛架剛度參數(shù)，完成減振器硬度選型，為后期壁掛式機載設(shè)備減振設(shè)計提供參考。

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