機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真與校核

郭建平，李振東，張 杰

(航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

隨著航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備對(duì)體積、重量及強(qiáng)度要求越來(lái)越高[1]。理論上，在相同材料的情況下，重量越輕強(qiáng)度越低，強(qiáng)度越高，重量也就比較大。因此在重量要求十分苛刻的前提下，既要滿足產(chǎn)品的重量要求，又要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，必須對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度考核，以確定其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

在對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度考核時(shí)，最常用也是最普遍的激勵(lì)是隨機(jī)振動(dòng)[2]。根據(jù)GJB 150A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定，電子設(shè)備安裝在不同類型的飛機(jī)或者同類型飛機(jī)的不同部位，其振動(dòng)量值一般是不一樣的。這就要求根據(jù)機(jī)載電子設(shè)備的安裝位置確定其振動(dòng)量值大小，進(jìn)而考核其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

目前進(jìn)行強(qiáng)度考核的方法有3種：試驗(yàn)、類比及仿真分析。試驗(yàn)驗(yàn)證效果直觀，但是一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題再改進(jìn)，會(huì)導(dǎo)致周期長(zhǎng)、費(fèi)用高；類比驗(yàn)證具有操作方便、簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是新研發(fā)的產(chǎn)品基本沒(méi)有類比的基礎(chǔ)，無(wú)法得出類比結(jié)果；相比之下，仿真分析驗(yàn)證的方式優(yōu)勢(shì)十分明顯，借助仿真分析技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度分析，直觀地判斷強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，不僅可避免反復(fù)多次試驗(yàn)，降低資源消耗，而且可縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

仿真分析校核雖然有很多優(yōu)勢(shì)，但是要確定仿真結(jié)果是否真實(shí)、準(zhǔn)確，必須對(duì)仿真的實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，把測(cè)試的結(jié)果與分析得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而找出分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不一致的原因，修改仿真模型、邊界條件及參數(shù)設(shè)置，逐步獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，指導(dǎo)后續(xù)仿真分析。

1 仿真及校核流程

一個(gè)完整的仿真分析包括兩方面的內(nèi)容：一方面是根據(jù)任務(wù)要求，選擇合適的軟件、建立模型、確定邊界條件進(jìn)行仿真分析；另一方面是對(duì)進(jìn)行仿真分析的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，把試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，如果誤差過(guò)大就要修改模型、邊界條件等，直至誤差在規(guī)定的范圍之內(nèi)，仿真驗(yàn)證流程如圖1所示。

圖1 仿真驗(yàn)證流程

具體來(lái)說(shuō)，仿真實(shí)現(xiàn)主要流程是，按照產(chǎn)品狀態(tài)建立模型，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化；施加約束條件，進(jìn)行模態(tài)分析，再在模態(tài)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，頻率響應(yīng)是計(jì)算模型傳遞函數(shù)，并得到在單位載荷激勵(lì)下模型在各階頻率上的應(yīng)力、加速度、位移等分布情況；然后開(kāi)展隨機(jī)響應(yīng)分析，隨機(jī)響應(yīng)分析是在頻率響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，輸入功率譜或相關(guān)譜形式的載荷，隨機(jī)響應(yīng)分析計(jì)算出的是模型自身的真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變和位移等情況。通過(guò)上面的一系列的分析，得出了模型上的應(yīng)變(應(yīng)力)、位移、加速度的分布，可以通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

仿真結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證是通過(guò)把電子設(shè)備放置于振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，采用相關(guān)儀器設(shè)備測(cè)試電子設(shè)備的固有頻率，以及結(jié)構(gòu)的應(yīng)變(應(yīng)力)、變形、加速度等響應(yīng)，然后把測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，找出誤差原因，進(jìn)而對(duì)模型、邊界條件、仿真參數(shù)等進(jìn)行修正，使仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果保持在一定誤差范圍內(nèi)，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備如圖2所示。

圖2 驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備

采用的驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備主要包括模態(tài)分析設(shè)備和動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)。模態(tài)分析設(shè)備主要是通過(guò)綜合振動(dòng)臺(tái)對(duì)電子設(shè)備掃頻，以測(cè)得其固有頻率，然后把測(cè)試結(jié)果與分析結(jié)果比較以修正模型及仿真參數(shù)。驗(yàn)證采用的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，包括應(yīng)變傳感器、加速度/振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、軟件系統(tǒng)以及相應(yīng)的記錄、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換及顯示等輔助設(shè)備。

具體驗(yàn)證方法是對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注部位貼上相應(yīng)的傳感器，以測(cè)得其應(yīng)變(應(yīng)力)、加速度、變形等。把通過(guò)仿真分析所得的電子設(shè)備各部位的上述結(jié)果與其相對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，找出誤差較大的原因并進(jìn)行調(diào)整，以縮小誤差至一定范圍內(nèi)。

2 仿真與校核案例

某機(jī)載電子設(shè)備是飛機(jī)的通信部件，在出廠前需要進(jìn)行包括環(huán)境應(yīng)力篩選、高低溫、振動(dòng)在內(nèi)的系列試驗(yàn)。其中振動(dòng)試驗(yàn)為隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)圖譜如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)圖譜

該機(jī)載電子設(shè)備是安裝在專用設(shè)備上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的，該專用設(shè)備采用鋁合金制造，其不僅是機(jī)載電子設(shè)備振動(dòng)時(shí)的緊固載體，更是直接將試驗(yàn)激勵(lì)傳遞給機(jī)載計(jì)算機(jī)的重要部件，如圖4所示。

為了對(duì)該專用設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真與校核，特在該專用設(shè)備上選取9個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行仿真和測(cè)試，選取的點(diǎn)如圖4所示。將該專用設(shè)備固定在振動(dòng)臺(tái)上，按照?qǐng)D3所示振動(dòng)圖譜施加隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)，通過(guò)安裝在9個(gè)點(diǎn)位的加速度傳感器和動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)測(cè)試出每個(gè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)均方根值，如表1所示，該測(cè)試值作為仿真校核的基準(zhǔn)值。

表1 振動(dòng)實(shí)測(cè)值

圖4 試驗(yàn)專用設(shè)備

在CAE仿真軟件中建立該試驗(yàn)專用設(shè)備的詳細(xì)模型并賦予鋁合金材料屬性，采用四面體十節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在其與振動(dòng)臺(tái)固定的圓孔一圈施加固定約束，并進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖5所示，前10階模態(tài)分析結(jié)果如表2所示。在模態(tài)分析基礎(chǔ)上施加單位加速度激勵(lì)計(jì)算頻率響應(yīng)，再在其基礎(chǔ)上計(jì)算隨機(jī)響應(yīng)，計(jì)算出9個(gè)點(diǎn)的加速度量值，分別如圖6所示，需要說(shuō)明的是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在仿真時(shí)將阻尼系數(shù)設(shè)置為0.06。把仿真分析所得的量值與振動(dòng)過(guò)程中實(shí)際測(cè)得的值進(jìn)行比較，如表3所示。

圖5 模態(tài)分析結(jié)果

圖6 各點(diǎn)量值情況

表2 初次仿真后模態(tài)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 初次仿真加速度與測(cè)試值對(duì)比及誤差

從仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果來(lái)看，除了個(gè)別點(diǎn)誤差較小外，其余大部分點(diǎn)誤差都比較大，需要進(jìn)一步對(duì)仿真進(jìn)行調(diào)整，以使誤差控制在合理范圍內(nèi)。

根據(jù)機(jī)載計(jì)算機(jī)仿真經(jīng)驗(yàn)，為了縮小誤差，需要對(duì)模型、參數(shù)及邊界條件幾個(gè)方面進(jìn)行修正。首先對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密以提高仿真精度。其次，從仿真結(jié)果來(lái)看，仿真量值普遍偏小，可以認(rèn)為阻尼系數(shù)過(guò)大，因此將阻尼系數(shù)由0.06調(diào)整至0.04。最后對(duì)約束方式進(jìn)行調(diào)整，在其與振動(dòng)臺(tái)固定的圓孔上部也增加固定約束。從以上3個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整后重新分析，如圖7、圖8所示，前10階模態(tài)分析結(jié)果如表4所示。3個(gè)方面調(diào)整后的仿真值和測(cè)試值對(duì)比如表5所示。

圖7 重新劃分網(wǎng)格及施加邊界條件

圖8 模態(tài)分析結(jié)果

表4 調(diào)整后模態(tài)分析結(jié)果

表5 調(diào)整后加速度仿真與測(cè)試值對(duì)比及誤差

從調(diào)整后的分析結(jié)果來(lái)看，調(diào)整相關(guān)參數(shù)后，誤差值大幅減小，最大誤差由39%縮小至6%；平均誤差由26%縮小至4.6%，仿真和測(cè)試結(jié)果誤差很小，仿真結(jié)果準(zhǔn)確可信，可以作為評(píng)判機(jī)載計(jì)算機(jī)響應(yīng)指標(biāo)的重要依據(jù)，仿真與校核達(dá)到了預(yù)期效果。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備試驗(yàn)專用設(shè)備及典型的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果的校核探討，校核情況表明，合適的網(wǎng)格精度、正確的約束條件、準(zhǔn)確的阻尼系數(shù)對(duì)仿真結(jié)果十分重要。根據(jù)本文積累的校核經(jīng)驗(yàn)，可在此基礎(chǔ)上開(kāi)展機(jī)載電子設(shè)備仿真，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，指導(dǎo)產(chǎn)品研制。