某球載雷達(dá)電子設(shè)備的力學(xué)仿真分析

摘要：球載雷達(dá)電子設(shè)備是球載雷達(dá)的重要組成部分，其力學(xué)工作環(huán)境嚴(yán)苛，對結(jié)構(gòu)有較高的可靠性要求?，F(xiàn)基于有限元方法，通過模態(tài)分析得到固有頻率和振型;進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)和隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，得到相應(yīng)的變形和應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，驗(yàn)證了該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足力學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：球載雷達(dá)電子設(shè)備;力學(xué)分析;瞬態(tài)動(dòng)力學(xué);隨機(jī)振動(dòng)

0? ? 引言

隨著材料科學(xué)和工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，浮空器應(yīng)用越來越廣泛，浮空器可搭載不同的電子設(shè)備，在預(yù)警探測、電子對抗和反恐緝私等方面都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。球載雷達(dá)電子設(shè)備作為球載雷達(dá)的重要組成部分，在制造、運(yùn)輸和雷達(dá)架設(shè)等過程中，其結(jié)構(gòu)需適應(yīng)復(fù)雜嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境，如振動(dòng)、沖擊等。嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備內(nèi)的元器件受損或失效，造成雷達(dá)無法正常工作。因此，在產(chǎn)品研制階段，必須準(zhǔn)確評估電子設(shè)備在各種力學(xué)環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度響應(yīng)[2]。

本文以某球載雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求為出發(fā)點(diǎn)，分析其試驗(yàn)指標(biāo)，采用ANSYS Workbench建立力學(xué)仿真模型，設(shè)置載荷和邊界條件，對其進(jìn)行模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析，對各種工況下的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得到對應(yīng)的變形和應(yīng)力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證該電子設(shè)備可以滿足剛強(qiáng)度、基頻等要求。

1? ? 結(jié)構(gòu)有限元模型建立與力學(xué)環(huán)境條件

1.1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元模型建立

該球載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由殼體、底板、蓋板及內(nèi)部電子元器件等組成，其結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示，電子設(shè)備的底部兩側(cè)分別設(shè)計(jì)3個(gè)吊耳，通過吊耳孔裝配在雷達(dá)天線的基板上。

綜合考慮仿真效率和準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行一定程度的簡化處理，去除殼體結(jié)構(gòu)中尺寸較小的孔、倒角、圓角等[3]，對簡化后的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型。該電子設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)所采用的材料為鋁合金5A06，其彈性模量為70 GPa，泊松比為0.3，密度為2 640 kg/m3，屈服強(qiáng)度為155 MPa[4]。

1.2? ? 力學(xué)環(huán)境條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該球載雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)需承受沖擊、隨機(jī)振動(dòng)等力學(xué)環(huán)境載荷的作用而不會(huì)失效，其力學(xué)試驗(yàn)條件如表1、表2所示。

2? ? 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，因此，在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)和隨機(jī)振動(dòng)仿真分析前，應(yīng)先進(jìn)行模態(tài)分析。仿真計(jì)算后，可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動(dòng)響應(yīng)的影響較大，本文只列出前6階的固有頻率，如表3所示。

由表3可知，該結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率較高，均大于500 Hz，有效避開了外部工作環(huán)境的激勵(lì)頻率，可以避免該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)發(fā)生共振損壞。該電子模塊結(jié)構(gòu)的前6階振型均為局部變形，模塊整體結(jié)構(gòu)的剛度較好。

3? ? 沖擊仿真分析

按照沖擊試驗(yàn)的力學(xué)條件對該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析。施加載荷和邊界條件，將結(jié)構(gòu)的材料阻尼系數(shù)設(shè)置為0.03，沖擊載荷的作用時(shí)間為11 ms，為了能夠捕捉?jīng)_擊載荷作用下整個(gè)過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將仿真計(jì)算時(shí)間設(shè)置為20 ms。經(jīng)過仿真分析，可得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果，如表4所示。

由表4中的結(jié)果可知，在X、Y、Z三個(gè)方向沖擊載荷作用下，X向結(jié)構(gòu)響應(yīng)最劇烈（圖2），結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大變形為4.63×10-4 mm，最大應(yīng)力為5.23×10-2 MPa。因此，該電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足沖擊環(huán)境的要求，安全裕度較大。

4? ? 隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

采用PSD方法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，按表2中的數(shù)據(jù)設(shè)置載荷和邊界條件，分別得到X、Y、Z三個(gè)方向載荷作用下的最大變形和最大應(yīng)力，按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常按照3σ響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析（不出現(xiàn)大于此值情況的概率為99.7%），最大3σ變形云圖和最大3σ應(yīng)力云圖如圖3所示。

綜合比較圖3結(jié)果可知，該電子設(shè)備在Y向載荷作用下隨機(jī)振動(dòng)的響應(yīng)最大，最大3σ變形為2.7×10-4 mm，最大3σ應(yīng)力為0.046 5 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)環(huán)境要求。

5? ? 結(jié)語

本文以某球載雷達(dá)電子設(shè)備為研究對象，分析力學(xué)環(huán)境載荷作用對其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的影響，完成了結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)沖擊響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析，得到了沖擊響應(yīng)和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的應(yīng)力和變形結(jié)果，驗(yàn)證了該設(shè)備結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品抗力學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張志富.系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)空中結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，37（1）：37-41.

[2] 李科選，王美焰，孫浩，等.某型雷達(dá)數(shù)字陣列模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械與電子，2018，36（10）：27-30.

[3] 李齊兵，敬敏，張梁娟，等.某機(jī)載單元隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析[J].電子機(jī)械工程，2018，34（6）：32-35.

[4] 一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材 第2部分：力學(xué)性能：GB/T 3880.2—2012[S].

收稿日期：2020-05-06

作者簡介：孫明遷（1989—），男，安徽蚌埠人，碩士研究生，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，研究方向：雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。