楊 虎,陳俊桃,蘇關云,廖 銳
(成都西科微波通訊有限公司,四川 成都 610000)
隨機振動試驗作為考核機載電子裝備環(huán)境適應性的一個主要項目,是評估產品抗振性能、耐振強度以及可靠性的最基本試驗手段,在電子裝備篩選、驗收和交付試驗中得到廣泛應用[1]。
某型陣列天線屬于機載設備,應滿足“標準振動環(huán)境”條件要求,需按圖1所示的隨機振動功率譜密度(簡稱“PSD”)曲線[2-3]做隨機振動試驗。受試設備不加電,振動持續(xù)時間為每軸向(X、Y、Z)1 h。
圖1 PSD曲線
該天線設備主要由天線反射框、4個天線單元和功分器組成,其三維模型見圖2。
圖2 陣列天線三維模型
首批次初樣設備在完成前兩個方向(X、Y)振動后,設備完好,在完成最后一個方向(Z)后,發(fā)現第二個天線單元一個輻射板被振裂,見圖3,振裂位置位于輻射板根部圓角處,圓角半徑為2 mm。
圖3 天線單元輻射板振裂示意圖
為了提高效率、節(jié)約試驗費用,快速找到斷裂原因,改進天線結構。文章通過有限元軟件ANSYS Workbench對天線結構改進前后進行隨機振動仿真,并對比分析仿真結果,驗證結構改進的合理性。
隨機振動仿真分析的結果輸出是一個標準偏差1σ,該結果服從高斯正態(tài)分布,即68.3%的時間下,響應值小于標準偏差1σ;2σ值表示95.4%的時間下響應值小于2σ;3σ值表示99.7%的時間下響應值小于3σ。故3σ結果可以評估等效應力的上限[4],可用來校核結構的疲勞極限應力。
天線單元輻射板主要采用六面體網格,以便減少單元數量,其余結構較復雜,主要采用四面體網格。由于輻射板為重點關注對象,單獨對輻射板進行尺寸控制(2 mm),其余結構通過整體網格控制進行劃分。整體模型網格單元數為246 134,節(jié)點數為632 464。網格模型見下頁圖4。
圖4 網格模型
分別對天線三個方向進行隨機振動分析,得到三個方向的3σ應力云圖,見下頁圖5。
圖5 原結構三個方向3σ應力云圖
從3σ應力云圖看出,三個方向應力最大值均出現在天線單元輻射板根部圓角處,只是振動方向不同,分布在不同的天線單元輻射板上。三個振動方向最大應力值見表1。
表1 三個方向最大應力值
X、Y、Z三個方向振動最大應力分別為63.34 MPa、47.63 MPa、102.74 MPa,故最大應力發(fā)生在Z方向(垂直方向)振動時,位置出現在第2個天線單元輻射板上根部圓角處,最大應力σmax=102.74 MPa,和實際振動試驗斷裂位置吻合。此處應力較大是因為圓角太小(只有2 mm),產生較大應力集中。
輻射板材料為鋁合金6061-T6,疲勞極限為σ-1=87 MPa。
校核:σmax=102.74 MPa>σ-1,已不滿足強度設計要求。
綜上所述,得出天線輻射板斷裂原因:輻射板根部圓角(半徑2 mm)太小,產生較大應力集中,此處應力已超過疲勞極限。
根據仿真分析結論,天線結構改進如下:增大輻射板根部圓角尺寸,圓角半徑由2 mm增大到10 mm,見圖6。
圖6 天線單元結構改進對比
分別對改進后的天線三個方向進行隨機振動分析,得到三個方向的3σ應力云圖,見圖7。
圖7 改進后結構三個方向3σ應力云圖
結構改進前后天線單元上的最大應力對比見下頁表2。
表2 三個方向最大應力值
由表2可知:天線單元X、Y、Z三個方向振動最大應力都有所下降,分別由63.34 MPa、47.63 MPa、102.74 MPa下 降 到35.32 MPa、34.17 MPa、77.85 MPa,分別降低44.2%、28.3%、24.2%,結構改進效果明顯。
校核:天線改進后的最大應力σmax=77.85 MPa<σ-1=87 MPa,滿足強度設計要求。
按改進后的天線結構圖紙生產加工完成后,重新做隨機振動試驗,三個方向振動完成后,天線結構完好無損,順利通過振動試驗,有效驗證了仿真分析與結構改進的合理性。
1)仿真分析結果表明天線結構改進后,X、Y、Z三個方向振動最大應力明顯下降,分別降低44.2%、28.3%、24.2%,且最大應力小于疲勞極限應力,滿足設計要求。
2)改進后的天線結構順利通過振動試驗,有效驗證了結構改進的合理性。
3)天線輻射板類似于懸臂結構,和天線支柱連接處附近應力較大,應增大此處圓角過渡,減小應力集中。