隨機(jī)振動仿真分析在機(jī)載電子設(shè)備中的應(yīng)用

1、2014/1/2 作者：劉欽文李相輝本文介紹了應(yīng)用有限元分析軟件對某型機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動仿真分析的方法，不僅通過仿真分析發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，還對振動仿真分析在實際工程中的應(yīng)用有一定的借鑒意義。1 引言 飛行器在飛行過程中，因受發(fā)動機(jī)和氣流的影響，會導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生劇烈的振動。由于氣流對飛行器的影響和發(fā)動機(jī)工作引起的振動都是沒有規(guī)律的，因此機(jī)載設(shè)備所承受的都是隨機(jī)振動。隨機(jī)振動往往造成機(jī)載設(shè)備的疲勞損壞，對于機(jī)載電子設(shè)備而言，就是容易導(dǎo)致電子設(shè)備的焊點(diǎn)脫焊、管腳斷裂，連接松弛脫落等故障，嚴(yán)重的會直接導(dǎo)致機(jī)毀人亡的災(zāi)難性后果。為此，在機(jī)載電子設(shè)備的設(shè)計過程中就進(jìn)行隨機(jī)振動仿真分析就顯得尤為重要

2、。2 振動仿真分析過程 本文應(yīng)用有限元分析軟件對某型機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動仿真分析，通過分析結(jié)果對該機(jī)載電子設(shè)備的振動薄弱環(huán)節(jié)有了一個直觀和清晰的認(rèn)識，從而指導(dǎo)設(shè)計人員對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，完善產(chǎn)品的設(shè)計，增強(qiáng)了產(chǎn)品的可靠性。 2.1 有限元分析模型的創(chuàng)建 有限元分析模型由CAD模型簡化得到，通過CAD接口導(dǎo)入進(jìn)行分析的設(shè)備的CAD模型，對模型進(jìn)行必要的簡化，使模型滿足有限元分析要求，減少分析時間，簡化后的CAD模型見圖1（隱藏上蓋板后）。圖1 簡化后CAD模型 有限元劃分分別采用了四面體和六面體單元，對機(jī)箱安裝在箱體上的部件以及電路板組件進(jìn)行單獨(dú)劃分，其中相對重要的印制線路板組件全部采用六面體劃

3、分單元，以保證計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。最終劃分完成得到的單元數(shù)量為119396。對印制板和機(jī)箱的連接采用MPC中的RBE2來模擬螺釘連接，螺釘采用梁桿結(jié)構(gòu)近似，創(chuàng)建的MPC數(shù)為24個，最后完成的有限元模型如圖2所示（隱藏上下蓋板后）。 2.2 模型驗證 通過模態(tài)試驗的方法對有限元初始模型進(jìn)行驗證。試驗首先對印制線路板模塊、空機(jī)箱進(jìn)行自由模態(tài)試驗，然后對電路板進(jìn)行約束條件下的模態(tài)試驗，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，最后通過模型調(diào)整使仿真結(jié)果與試驗結(jié)果接近，以保證仿真分析模型的準(zhǔn)確和邊界條件的設(shè)置正確。通過模態(tài)驗證試驗保證了有限元模型與實際物理設(shè)備的一致性。圖2 有限元模型2.2.1 試驗原理 模

4、態(tài)試驗采用力錘敲擊法進(jìn)行試驗，即通過力錘施加一個力在受試產(chǎn)品的一個激勵點(diǎn)上，由布置在受試產(chǎn)品外表面加速度傳感器記錄該傳感器安裝位置的加速度響應(yīng)信號，將力錘的沖擊信號和加速度傳感器的響應(yīng)信號采集再經(jīng)過歸一化調(diào)節(jié)放大分析后，得到該位置點(diǎn)的頻響函數(shù)，然后按事先布置好的均布點(diǎn)依次移動加速度傳感器安裝位置，同樣由力錘在固定激勵點(diǎn)依次施加沖擊信號，最終得到整個受試產(chǎn)品外表面均布各點(diǎn)的頻響函數(shù)，再由模態(tài)參數(shù)識別軟件STAR-Modal，分析得到受試件的模態(tài)頻率與振型信息。在測試各點(diǎn)頻響函數(shù)時為避免測試時外界因素影響測試結(jié)果精度，在每個測試點(diǎn)都進(jìn)行5次測試，最后取5次結(jié)果的平均值。試驗流程如下，原理圖如圖3所

5、示。圖3 力錘敲擊法模態(tài)試驗原理 1)對受試件離散均布測試點(diǎn)。 2)力錘給受試件固定點(diǎn)一個沖擊信號，分別采集所有測試點(diǎn)的激勵信號與響應(yīng)信號。 3)信號采集后，經(jīng)過歸一化調(diào)節(jié)放大分析后，得到各點(diǎn)的頻響函數(shù)。 4)將各點(diǎn)頻響函數(shù)導(dǎo)入模態(tài)參數(shù)識別軟件STAR-Modal，分析得到受試件的模態(tài)頻率與振型信息。 2.2.2 中央處理模塊模型驗證 單獨(dú)對中央處理模塊進(jìn)行模型驗證 1)中央處理模塊自由模態(tài)分析和驗證中央處理模塊的自由模態(tài)試驗是將中央處理模塊通過四條彈性繩自由懸掛，固定激勵點(diǎn)，并采集模塊上均布的54個測試點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號，得到整個電路板模塊的頻響函數(shù)曲線與數(shù)據(jù)；而為了對比驗證，仿真分析時的邊

6、界條件需要模擬模態(tài)試驗，固單獨(dú)對中央處理模塊進(jìn)行無約束條件下的模態(tài)分析，分析結(jié)果和試驗結(jié)果的對比如表1所示。表1 中央處理模塊自由模態(tài)對比驗證 2)中央處理模塊安裝狀態(tài)模態(tài)分析中央處理模塊固定狀態(tài)時的模態(tài)試驗是將電路板安裝在機(jī)箱內(nèi)。機(jī)箱自由懸掛，激勵點(diǎn)設(shè)置在電路板上，并固定。通過采集模塊上分布的9個測試點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號，得到電路板模塊的頻響函數(shù)曲線與數(shù)據(jù)，因電路板上的元器件影響安放測試用加速度傳感器，所以僅取到9個測試點(diǎn)數(shù)據(jù)；仿真分析則是整機(jī)在無約束條件下進(jìn)行模態(tài)分析，并從分析結(jié)果中截取中央處理模塊的前三階模態(tài)，因整機(jī)分析中，中央處理模塊是通過MPC與機(jī)箱連接，因此可以認(rèn)為是中央處理模塊安裝

7、狀態(tài)下的模態(tài)分析，分析結(jié)果和試驗結(jié)果的對比如表2所示。表2 中央處理模塊安裝狀態(tài)模態(tài)對比驗證2.2.3 機(jī)箱模型驗證單獨(dú)對中央處理模塊進(jìn)行模型驗證，模態(tài)試驗是對整個機(jī)箱在自由狀態(tài)下進(jìn)行的。利用彈性繩將機(jī)箱外殼的四個角點(diǎn)處的緊固環(huán)自由懸掛。固定激勵點(diǎn)，整機(jī)的6個外殼表面均布了78個測試點(diǎn)，通過采集這些測試點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號，得到整個機(jī)箱的頻響函數(shù)曲線與數(shù)據(jù)；仿真分析則是對機(jī)箱模塊在無約束條件下進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果和試驗結(jié)果的對比如表3所示。表3 機(jī)箱模塊自由狀態(tài)模態(tài)對比驗證 2.3 模態(tài)分析和隨機(jī)振動分析 通過模態(tài)試驗校正模型后，保證了有限元模型和實際物理模型的一致性，再進(jìn)行固定約束下的模態(tài)分

8、析和隨機(jī)振動分析就可以得到可信的分析結(jié)果。 2.3.1 約束狀態(tài)下模態(tài)分析 模擬實際電子設(shè)備的安裝狀態(tài)，固定約束設(shè)備的安裝位置的3個平動方向的自由度，對整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到整機(jī)前六階模態(tài)和各模塊前三階模態(tài)結(jié)果，其中模塊的模態(tài)從整機(jī)模態(tài)分析結(jié)果中截取。 1)整機(jī)模態(tài)分析 整機(jī)模態(tài)分析的前6階頻率結(jié)果見表4，其對應(yīng)的振型結(jié)果如圖4所示。表4 整機(jī)諧振頻率及位置圖4 整機(jī)前六階模態(tài)分析結(jié)果 2)各模塊前三階的諧振頻率和振型a) 中央處理模塊前三階頻率結(jié)果見表5，其對應(yīng)的振型結(jié)果如圖5所示。表5 中央處理模塊諧振頻率及位置圖5 中央處理模塊前三階模態(tài)分析結(jié)果 b)輸入接口模塊前三階頻率結(jié)果見表6，其

9、對應(yīng)的振型結(jié)果如圖6所示。表6 輸入接口模塊諧振頻率及位置圖6 輸入接口模塊前三階模態(tài)分析結(jié)果2.3.2 隨機(jī)振動分析 1)激勵加速度功率譜(PSD)輸入 輸入的PSD見圖7。圖7 隨機(jī)振動頻譜圖 2)加速度均方根云圖 隨機(jī)振動分析得到各模塊隨機(jī)響應(yīng)的加速度均方根云圖見圖8，位移均方根云圖見圖9。圖8 各模塊加速度均方根云圖圖9 各模塊位移均方根云圖 3)約束點(diǎn)PSD響應(yīng) a)中央處理模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)如圖10所示，因中央處理模塊的約束點(diǎn)上下對稱，這里僅給出上面4個約束點(diǎn)的PSD響應(yīng)圖。圖10 中央處理模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)曲線 b)輸入接口模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)如圖11所示，與中央處理模塊相同

10、，輸入接口模塊的約束點(diǎn)上下對稱，這里僅給出上面2個約束點(diǎn)的PSD響應(yīng)圖。圖11 輸入接口模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)曲線2.4振動分析結(jié)論 通過振動仿真分析，得到各模塊的加速度均方根云圖、位移均方根云圖和約束點(diǎn)的PSD響應(yīng)圖。從加速度、位移均方根云圖中可以發(fā)現(xiàn)整機(jī)及模塊最大響應(yīng)量值和位置如表7所示。 由表7可知，在隨機(jī)振動影響下，中央處理模塊中部和輸入接口模塊側(cè)邊的振動加速度量值較大，是模塊的薄弱環(huán)節(jié)，可以指導(dǎo)設(shè)計更改器件布局或修改結(jié)構(gòu)設(shè)計來降低模塊的振動加速度量值，從而提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低故障率。表7 隨機(jī)振動分析結(jié)果及說明5 總結(jié) 機(jī)載電子設(shè)備因工作環(huán)境條件十分惡劣，長期受到強(qiáng)振動的影響，為保證機(jī)載電子設(shè)備具有較高的可靠性，因此在設(shè)計時需要對設(shè)備的振動承受能力進(jìn)行分析，在仿真技術(shù)出現(xiàn)以前，都是需要通過大量的環(huán)境試驗來檢驗設(shè)備的耐振動的能力，但環(huán)境試驗花費(fèi)巨大，且試驗周期長，還只能在產(chǎn)品樣機(jī)生產(chǎn)出來以后才能進(jìn)行，因此經(jīng)常導(dǎo)致