隨機振動仿真分析在機載電子設(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)用有限無分析軟件對某型機載電子設(shè)備進行隨機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)動機和氣流的影響，會導(dǎo)致機體發(fā)生劇烈的振 動。由于氣流對飛行器的影響和發(fā)動機工作引起的振動都是沒有規(guī)律的，因此機 載設(shè)備所承受的都是隨機振動。隨機振動往往造成機載設(shè)備的疲勞損壞，對于機 載電子設(shè)備而言，就是容易導(dǎo)致電子設(shè)備的焊點脫焊、管腳斷裂，連接松弛脫落 等故障，嚴重的會直接導(dǎo)致機毀人亡的災(zāi)難性后果。為此，在機載電子設(shè)備的設(shè) 計過程中就進行隨機振動仿真分析就顯得尤

2、為重要。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載電子設(shè)備進行隨機振動仿真分析，通過 分析結(jié)果對該機載電子設(shè)備的振動薄弱環(huán)節(jié)有了一個直觀和清晰的認識，從而指 導(dǎo)設(shè)計人員對產(chǎn)品進行改進，完善產(chǎn)品的設(shè)計，增強了產(chǎn)品的可靠性。2.1有限元分析模型的創(chuàng)有限元分析模型由CAD模型簡化得到，通過CAD接口導(dǎo)入進行分析的設(shè)備 的CAD模型，對模型進行必要的簡化，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，對機箱安裝在箱體上的部件以 及電路板組件進行單獨劃分，其中相對重要的印制線路板組件全部采用六面體

3、劃 分單元，以保證計算結(jié)果更加準確。最終劃分完成得到的單元數(shù)量為119396。 對印制板和機箱的連接采用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行驗證。試驗首先對印制線路板模 塊、空機箱進行自由模態(tài)試驗，然后對電路板進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有限元模型試驗原理模態(tài)試

4、驗采用力錘敲擊法進行試驗，即通過力錘施加一個力在受試產(chǎn)品的一 個激勵點上，由布置在受試產(chǎn)品夕卜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，得到該位置點的頻響函數(shù)，然后按事先布置好的均布點依次移 動加速度傳感器安裝位置，同樣由力錘在固定激勵點依次施加沖擊信號，最終得 到整個受試產(chǎn)品夕卜表面均布各點的頻響函數(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，在每個測試點都進行5次測試，最后 取5次結(jié)果的平均值。試驗流程如下

5、，原理圖如圖3所示。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。2）力錘給受試件固定點一個沖擊信號，分別采集所有測試點的激勵信號與響 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，得到各點的頻響函數(shù)。4）將各點頻響函數(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。中央處理模塊模型驗證單獨對中央處理模塊進行模型驗證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，并采集模塊上均布的54個測試點的加速度響應(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，仿真分析時的邊界條

6、件需要 模擬模態(tài)試驗，固單獨對中央處理模塊進行無約束條件下的模態(tài)分析，分析結(jié)果表1中央處理模塊自由模態(tài)對比驗證頗率但苗仿真19S.52）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箱內(nèi)。機箱自由懸 掛，激勵點設(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個測試點數(shù)據(jù)；仿真分析則是整機在無 約束條件下進行模態(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 整機分析中，中央處理模塊是通過MPC與機箱連接，因此可以認為是中央處理 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。單獨對中央處理模塊進行模型驗證，模態(tài)試驗是對整個機箱在自由狀態(tài)下進 行的。利用彈性繩將機箱外殼的四個角點處的緊固環(huán)自由懸掛。固定激勵點，整 機的6個外殼表面均布了 78個測試點通過采集這些測試點的加速度響應(yīng)信號， 得到整個機箱的頻響函數(shù)曲線與數(shù)據(jù);仿真分析則是對機箱模塊在無約束條件下 進行模態(tài)分析，分析結(jié)果和試驗結(jié)果的對比如表3所示。表3機箱模塊自由狀態(tài)模態(tài)對比驗證制!率仿其2.3模態(tài)分析和隨機振動分析通過模態(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 進行固定約束下的模態(tài)分析和隨機振動分析就可以得到可信的分析結(jié)果。約束狀態(tài)

8、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，對整機進行模態(tài)分析，得到整機前六階模態(tài)和各模塊前三階模態(tài)結(jié)果， 其中模塊的模態(tài)從整機模態(tài)分析結(jié)果中截取。1）整機模態(tài)分析整機模態(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整機諧振頻率及位置階數(shù)諧振頻率（H局部模態(tài)位置 一階.4?7.47輸入接口組合二階647.26機箱組合:三階6624輸出接曰組合:四盼項680.35輸入接口組合，- 五階 J709.77,輸出接口組合，一 六琦代795.96?輸入接|盤務(wù)*三階二階五階.UrOf 亨六階圖4整機前六階模態(tài)分析結(jié)果2）各模塊前三階的諧振頻率和振

9、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階數(shù)諧振頻率（此）局部模態(tài)位置整機分析模態(tài)階數(shù)一階662.4左中右三個部位對應(yīng)整機模態(tài)第2階. 二階709.77左右兩個部位對應(yīng)整機模態(tài)第3階三階79&96r-H：對應(yīng)整機模態(tài)笫孕階、切輸入接口模塊前三階頻率結(jié)果見表6，其對應(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階數(shù)諧振頻率（Hz）局部模態(tài)位置整機分析模態(tài)階數(shù)階497.47側(cè)邊未固定端）對應(yīng)整機模態(tài)第階二階68035側(cè)邊和中間兩個部位對.應(yīng)整機摸志第4階三階1231.2側(cè)邊前后和中間前后四 個部位對阮整機模態(tài)得耳階$二階二叫圖5中央

10、處理模塊前三階模態(tài)分析結(jié)果7*1lJa.lE E里!g、q-.Tn DUm n_E-t - JM- 5- uaHRm-J5E百6一I is f rqnv IM . JSJIn t山琴1)理國君廁網(wǎng)凸(PSD)SPSD SH 7。2）加速度均方根云圖隨機振動分析得到各模塊隨機響應(yīng)的加速度均方根云圖見圖8，位移均方根 云圖見圖9。中央處理模塊加速度均方糧值輸入接口模塊加速度均方圖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PSD響應(yīng)a）中央處理模塊約束點PSD響應(yīng)如圖10所示，因中央處理模塊的約束點上下對稱，這里僅給出上面4個約束點的PSD響應(yīng)圖。第1約束點第2約束點第3約束點弟4約

11、柬點圖10中央處理模塊約束點PSD響應(yīng)曲線5輸入接口模塊約束點PSD響應(yīng)如圖11所示，與中央處理模塊相同，輸入接口模塊的約束點上下對稱，這里僅給出上面2個約束點的PSD響應(yīng)圖。山1 7 - n巖2打師.總圖11輸入接口模塊約束點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

12、而提高結(jié)構(gòu)強度，降低故障率。表7隨機振動分析結(jié)果及說明響應(yīng)整機模塊最大值位置加速度均 方報值(g)整機40.7&Y方向時輸出接口組會中 部輸出接口組二39.7輸出接口蛆合中部輸入接口組 合40.7&輸入接口組合左側(cè)位移均方 根值(mm)整機8.65e-2Y方向時輸出接口組合中 部輸出接口組 臺輸擊接口組舍中部輸入接口組輸入接口警騷叫眼5總結(jié)機載電子設(shè)備因工作環(huán)境條件十分惡劣，長期受到強振動的影響，為保證機 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)境試驗花費巨大，且試驗周期長，還只能