某机载电子设备环境适应性设计与验证

邸兰萍

（中国航空计算技术研究所，西安710068）

0 引 言

机载电子设备一般由精密的电子部件和较复杂的机械结构等组成，主要安装在设备仓和发动机上。机载恶劣环境条件极容易对设备造成损害。根据经验，电子设备大部分故障是由于电子元器件受到恶劣的振动和冲击造成的。电子设备在振动过程中失效的主要原因［1］：一是电子设备在某激励下由于共振导致模块印制板上产生较大的振动加速度或冲击加速度超过了电子元器件所能承受的加速度量值；二是电子设备在振动过程中由于加速度产生的结构应力超过了结构材料所能承受的应力值；三是由于频繁、长期的动载荷振动导致电子设备结构或器件管脚损坏。因此必须对电子设备进行可靠性设计与验证。

本文对某典型电子设备通过有限元仿真讨论电子设备整机的刚度和强度，以得到相关重要性能参数。然后，通过分析讨论设备所能承受载荷并对其进行适应性设计和验证。

1 振动环境

假设该电子设备安装在螺浆式飞机上。根据文献［2］，其振动图谱如图1 所示，图中L1根据安装位置的不同取值不同。

图1 振动图谱

2 设备结构强度设计

通常由于机载电子设备的振动图谱都是宽带随机振动，所以要想使得设备的频率避开共振是很困难的。在严酷的环境条件下，一方面可通过提高系统本身的刚性。首先考虑提高系统各元件刚度。其次，由于印制板上器件非常紧凑，在振动过程中可能会发生耦合现象，大幅降低系统的抗振性能，因此对于容易松动的器件采用点胶或其他加固方式固定在印制板上。另一方面则可通过降低激励传递率，衰减激励，以降低设备振动过程中的变形。

本文研究的电子设备结构外形如图2 所示，箱体是电路印制板承力部件，通过4 个弯角件安装于飞机上。为了提高设备的刚度，箱体选用高强度的铝合金材料，弯角件采用不锈钢材料，应力集中位置加工圆角。箱体内印制板采用加强筋等加固方式。

图2 电子设备三维模型图

图3 电子设备有限元模型

3 设备随机振动分析

3.1 建立有限元模型

按照通用的精简原则，在CAD 建模软件中对零部件进行简化并装配后，以通用的三维模型数据交换格式导入到Patran 软件中，在Patran 中对导入的CAD 模型使用十节点四面体单元进行网格划分。通过控制网格划分器的相关参数来保证模型内外网格密度的均匀性。最终得到有限元模型如图3 所示，共351 560 个节点，共187 984个四面体单元。

3.2 边界条件

根据设备实际安装方式，对箱体结构底部4个安装孔施加约束和激励。这里考虑对设备刚性安装方式仿真。

设备材料属性［3］如表1 所示。

表1 结构材料属性

3.3 模态分析

模态分析用于确定设计结构固有频率和振型。通过模态分析可以初步对整个结构的刚性的好坏进行评估。通 过 Patran 中SOL103 对有限元进行模态分析，结构前10 阶模态如表2 所示。

从模态仿真结果可以得知整个设备第1～9 阶模态振型主要是模块印制板的弯曲振动；第10 阶固有频率为969.28Hz，振型为机箱和模块整体的弯曲振动。从模态频率可以看出整机设备的刚性较高，整机结构具有很好的抗变形能力。

表2 设备前10 阶模态频率

3.4 随机振动响应分析

在计算得到系统的模态后，对系统施加载荷，通过模态法进行分析，得到指定频率范围内的响应。并对模型施加图1 所示随机振动激励谱进行随机振动分析，得到系统在垂直方向（垂直于印制板方向）设备的加速度分布图和设备上某几点加速度响应曲线如图4 所示。图中点429 947、437 758、452 048、437 779 分别是机箱安装孔、印制板中心、印制板前端、机箱顶部，加速度响应均方根值（RMS）分别是13.69g、37.91g、80.34g、34.98g。

图4 设备上加速度功率谱密度响应

从图4 可以看出，机箱和印制板在各冲击点位置都有能量放大现象，并且印制板上加速度量值都比较大，所以必须增加减振措施。

3.5 随机振动动应力分析和验证

通常随机振动应力服从高斯分布。因此机箱的强度应该满足3σmax＜σ0.2（屈服极限），且3σmax＜σ-1（疲劳极限）。该设备垂直方向随机振动的1σVonMises 应力云图如图5 所示。

图5 设备1σVonMises 应力云图

图中应力最大点位于安装孔附近位置。该点的3σmaxVonMises 应力值为2.7 MPa，箱体采用的材料2A12的σ0.2=290MPa，σ-1=137 MPa。可见该机箱结构能够满足动强度要求。

4 环境适应性设计

通过上述随机振动响应分析，整机需增加减振措施。为确定减振需求，首先应该要求满足强度要求，即减振后设备的最大应力应该小于屈服极限σ0.2和疲劳极限σ-1。其次，应该使箱体内部加速度响应不超出设备能够承受的范围。由此确定随机振动传递率η。

式中：η 为振动传递率；D 为阻尼比；γ 为频率比。由式（1）可得到如图6 所示振动传递率曲线。可以看出，当频率比大于η 时，可达到减振目的。

图6 振动传递率

为满足设计，假定设备印制板最大响应不超过9g，那么减振系统传递率应该满足η=0.65。由图6 可知为满足η≤0.65 的设计要求，应使γ 为频率比＞2，由图1 可知激励最小频率为15 Hz，那么减振器的固有频率应该小于30 Hz。

根据以上对设备和减振系统的振动应力、振动加速度、传递率和固有频率分析，可知该设备的结构强度能够满足要求，但印制板上的加速度均方根值较大，为了使印制板上加速度均方根值降到合理范围，减振器的固有频率应当尽量小于30 Hz，阻尼比在许用范围内尽可能大，同时具备变阻尼性能。还要考虑减振器的承重位置、重量和环境适应性等要求。

5 结 论

本文首先通过有限元对某电子设备进行随机振动响应分析，分析结构强度和内部电路模块是否能满足振动要求，为适应环境要求需对整机增加减振措施。其次，通过讨论设备所能承受环境载荷来进行减振设计并指导减振系统的选取，以提高设备适应环境的能力。本文提供了一种采用有限元方法分析机载电子设备环境适应性能力，再通过减振系统的设计方法来指导电子设备环境适应性设计的思路和方法。

［1］ 周旭.电子设备结构与工艺［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［2］ GJB 150-1986 军用设备环境试验方法［S］.

［3］ 刘治虎，郭建平.某机载电子设备结构随机振动分析［J］.航空计算技术，2011，41（4）：91-93.

［4］ 朱石坚，楼京俊.振动理论与隔振技术［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［5］ Dave S.Vibration Analysis for Electronic Equipment［M］.Steinberg&Associates，2000.

［6］ Rao S S.机械振动［M］.李欣业，张明路，译.北京：清华大学出版社，2009.