機(jī)架減振安裝的振動(dòng)分析

朱慶流，黃福清，程皓月

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610097）

電子設(shè)備在實(shí)際工作環(huán)境中，會(huì)受到各種形式的載荷，如振動(dòng)、沖擊、離心力以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力等。其中，對(duì)電子設(shè)備危害最大的是振動(dòng)和沖擊。設(shè)備結(jié)構(gòu)在某些固有激振頻率作用下會(huì)產(chǎn)生共振，其振幅和加速度越來(lái)越大，并帶動(dòng)其內(nèi)部電子設(shè)備振動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)其極限應(yīng)力，設(shè)備結(jié)構(gòu)就會(huì)破壞；或者由于振動(dòng)引起的循環(huán)應(yīng)力長(zhǎng)期作用而使設(shè)備發(fā)生疲勞破壞。不管是哪種原因引起的設(shè)備破壞，其最終結(jié)果都會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備功能失效，從而引起整套設(shè)備出現(xiàn)故障，無(wú)法正常工作。為了防止振動(dòng)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生危害，通常在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮采用減振設(shè)計(jì)。常用的減振設(shè)計(jì)方法有隔振設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)剛性化設(shè)計(jì)、去耦設(shè)計(jì)以及有阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。對(duì)大中型電子設(shè)備采用隔振緩沖裝置來(lái)減弱或避免外界環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的有害影響，是經(jīng)濟(jì)而有效的措施之一。本文將結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)架的三種減振器布局進(jìn)行分析，從而找出最優(yōu)的減振方案。

1 機(jī)架減振模型

機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式為長(zhǎng)方體，外形尺寸為660mm×360mm×350mm，重量70kg，采用加減震器的被動(dòng)減振方式，分別在兩長(zhǎng)邊、兩短邊和兩對(duì)角長(zhǎng)邊上布置6個(gè)減振器。減振器采用GGZ型干摩擦高阻尼減振器，該減振器具有非線性變剛度特性以及良好的抗沖擊性能；在共振區(qū)大阻尼，使被減振設(shè)備安全通過(guò)共振區(qū)；在隔振區(qū)小阻尼，具有良好的隔振效果；工作頻率范圍寬；可實(shí)現(xiàn)任意方向的振動(dòng)隔離。具體減振模型如圖1～3所示。

圖1 方案1

圖2 方案2

圖3 方案3

由于機(jī)架的整體剛度大，所以仿真時(shí)將機(jī)架視為剛體，用一階六面體單元（C3D8R）模擬；減振器的剛度很小，而且可實(shí)現(xiàn)任意方向的振動(dòng)隔離，所以用X、Y和Z三個(gè)方向的彈簧單元模擬。

機(jī)架為鋁合金材料，彈性模量為E=7×104MPa，泊松比為0.3，等效密度為：

根據(jù)減振器給定參數(shù)，（載荷與靜位移的關(guān)系）可以求得減振器的剛度為：

根據(jù)減振器的傳遞率-頻率曲線估計(jì)阻尼為：

機(jī)架的結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)置0.04。

2 機(jī)架的模態(tài)分析

分別對(duì)三種減振方案進(jìn)行模態(tài)分析，提取前6階模態(tài)的固有頻率和振型，見(jiàn)表1～3和圖4～9。從表1和表2可以看出，前兩種方案的模態(tài)振型非常類(lèi)似，因?yàn)閮煞N方案的布局相似有關(guān)，差別只是中間兩個(gè)減振器的位置不同。前兩種方案的固有頻率值比較接近，在第一階振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，第一種方案的頻率值稍微高于第二種，這是由于第一種方案的布置方式有利于克服機(jī)架繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度。同樣，在第二階振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，第二種方案頻率值稍微高于第一種，有利于克服機(jī)架繞X周轉(zhuǎn)動(dòng)。在第三階振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，兩者效果一樣，都是后面的三階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響比較小，這里不做討論。

對(duì)于第三種方案，前三階模態(tài)都是平動(dòng)，而且固有頻率都是20.8Hz，和前兩種方案相比，這種方式限制了機(jī)架繞Z軸和X軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)形式，有利于整體的穩(wěn)定性。

表1 方案1的前6階模態(tài)

表2 方案2的前6階模態(tài)

表3 方案3的前6階模態(tài)

圖4 方案1和2的第1階振型

圖5 方案1和2的第2階振型

圖6 方案1和2的第3階振型

圖7 方案3的第1階振型

圖8 方案3的第2階振型

圖9 方案3的第3階振型

3 機(jī)架的隨機(jī)振動(dòng)分析

基于前面計(jì)算的模態(tài)，按照隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件，見(jiàn)圖10，分別對(duì)三種方案進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。加載形式為加速度激勵(lì)，分別沿X、Y和Z三個(gè)方向。

計(jì)算并提取機(jī)架上角點(diǎn)的加速度和位移值，見(jiàn)表4～6所示，響應(yīng)系數(shù)值為：

其中輸入均方根加速度為13.6g，由圖10的PSD譜計(jì)算得出。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4～6。

圖10 隨機(jī)振動(dòng)PSD譜 頻率/Hz

由表中數(shù)據(jù)可以看出，加速度響應(yīng)系數(shù)都介于0.68～0.75，差別很小，但是，第三種方式的響應(yīng)系數(shù)都是0.68，三個(gè)方向的系數(shù)比較均勻。從位移結(jié)果來(lái)看，第一種方案的最大位移為13.3mm，第二種方案的最大位移為16mm，而第三種方案的位移值只有5.3mm。這是因?yàn)榈谌N方案的安裝方式，使得前三階模態(tài)都是平動(dòng)，而沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，加上減振器的構(gòu)造，使得它對(duì)平動(dòng)的位移能夠起到限位作用。

表4 方案一的輸出結(jié)果

表5 方案二的輸出結(jié)果

表6 方案3的輸出結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，第三種方案在三個(gè)加載方向的加速度響應(yīng)系數(shù)相同，各個(gè)方向的減振效果都比較好；在位移值方面，第三種方案也較好地限制了最大位移，這對(duì)于機(jī)架安裝空間緊張的情況下非常有利，不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)闄C(jī)架的振動(dòng)幅度過(guò)大而與其他構(gòu)件之間產(chǎn)生碰撞的事故。