一種CPCI總線的機(jī)載設(shè)備抗振設(shè)計(jì)*

陳越惠,葉發(fā)亮,沈巍巍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

一種CPCI總線的機(jī)載設(shè)備抗振設(shè)計(jì)*

陳越惠,葉發(fā)亮,沈巍巍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

介紹了基于CPCI總線的機(jī)載電子設(shè)備的母版振動(dòng)問(wèn)題,從故障現(xiàn)象入手,對(duì)故障原因進(jìn)行理論分析,借助仿真手段,比較結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)前后的變化,通過(guò)環(huán)境實(shí)驗(yàn),從理論和實(shí)踐兩方面解決了機(jī)載設(shè)備母版振動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

CPCI;機(jī)載;抗振設(shè)計(jì)

0 引 言

電子設(shè)備在使用過(guò)程中不可避免的受到各種機(jī)械力——振動(dòng)、沖擊及離心力的作用[1]。尤其是在機(jī)載環(huán)境下,在飛機(jī)的起飛和巡航過(guò)程中,機(jī)載電子設(shè)備需承受較大量級(jí)的復(fù)雜振動(dòng)和沖擊載荷。然而,由于機(jī)載環(huán)境對(duì)于電子設(shè)備體積、重量的苛刻要求,需要我們?cè)陔娮釉O(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中在滿足重量、散熱的前提下,對(duì)設(shè)備進(jìn)行良好的可靠性設(shè)計(jì)[2]。

CPCI(Compact PCI)是國(guó)際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)提出來(lái)的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn),是以PCI電氣規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)的高性能工業(yè)用總線。在電氣特性上,CPCI總線以PCI電氣規(guī)范為基礎(chǔ),解決了VME等總線技術(shù)與PCI總線不兼容的問(wèn)題;在機(jī)械結(jié)構(gòu)上,CPCI總線具有很好的抗震性和通風(fēng)性,而且還可以從前面板拔插板卡,使更換和維修板卡極為方便。CPCI所具有可熱插拔、高開放性、高可靠性,使得其在軍用電子系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)和振動(dòng)問(wèn)題

某機(jī)載分析接收機(jī)是基于CPCI總線的標(biāo)準(zhǔn)19英寸8U單機(jī),該分析接收機(jī)由機(jī)箱、風(fēng)機(jī)、模塊、母版和各種器件組成,單機(jī)共有14個(gè)槽位,其中CPCI主板厚度為28.5,其余模塊均為4HP,單機(jī)共有12個(gè)模塊,具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

該機(jī)載單機(jī)在隨機(jī)振動(dòng)(Z方向)過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題:母板的四個(gè)角出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,如圖3所示。

圖1 某分析接收機(jī)外形示意圖

圖2 某分析接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動(dòng)問(wèn)題分析和解決辦法

2.1 問(wèn)題分析

(1)由于單機(jī)里面的模塊是用鎖緊條固定在上下的導(dǎo)軌板上,剛性較好。導(dǎo)軌板固定在側(cè)板上,側(cè)板只有2.5 mm厚,上下導(dǎo)軌板連接的剛性不好,振動(dòng)的時(shí)候兩塊導(dǎo)軌板之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移,從而拉扯固定在導(dǎo)軌后面的母板,同時(shí)單機(jī)模塊安裝的不均勻,模塊重心偏離單機(jī)的水平幾何中心上,使得對(duì)母板的拉扯力也不平均,四個(gè)角上受到的力最大,所以四個(gè)角最容易破裂,母版的安裝示意圖如圖4所示。

圖3 振動(dòng)后的母版圖

圖4 母版安裝示意圖

(2)母板上固定孔離邊緣太近,四個(gè)角上的孔(孔直徑3.5 mm)中心離豎直方向的邊緣4 mm,離左右水平方向的邊緣3.5 mm,在受力情況下能夠承載力的地方太小,造成應(yīng)力集中,容易破裂。

2.2 解決辦法

母版的斷裂是由于側(cè)板太薄,使得母版在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)位移所致,所以一種解決辦法是加大側(cè)板的厚度,這樣可以提高上下導(dǎo)軌板連接的剛性。但是這會(huì)大大增加單機(jī)的整體重量,這對(duì)于機(jī)載設(shè)備嚴(yán)格控制重量來(lái)說(shuō),顯然不是最好的解決辦法。所以我們考慮能不能將固定母版的上下導(dǎo)軌板作為一個(gè)整體,減少因?yàn)樯舷聦?dǎo)軌板相對(duì)位移對(duì)母版產(chǎn)生的拉扯。為了解決這個(gè)問(wèn)題,在兩塊導(dǎo)軌板中間靠近兩個(gè)側(cè)板的地方增加兩塊加強(qiáng)板,將上下兩塊導(dǎo)軌板連成一體,然后再整體固定在機(jī)箱的側(cè)板上,用來(lái)增加上下導(dǎo)軌和側(cè)板連接處的剛性,減少側(cè)板變形導(dǎo)致的上下導(dǎo)軌板位移,同時(shí)對(duì)加強(qiáng)板進(jìn)行開槽減重處理,這樣在控制單機(jī)重量的前提下,提高了上下導(dǎo)軌的剛度,減少了母版相對(duì)位移,避免了母版安裝孔的應(yīng)力過(guò)度集中,加強(qiáng)版安裝位置示意圖如圖5所示。

母板固定孔距離邊緣的距離每邊各增加2 mm,母板與導(dǎo)軌之間的接觸面上增加彈性襯墊,避免母板跟導(dǎo)軌板相互摩擦而產(chǎn)生的短路問(wèn)題,改進(jìn)后母板示意圖如圖6所示。

圖5 加固后的母版示意圖

圖6 母板改進(jìn)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)論證

在對(duì)振動(dòng)問(wèn)題分析完成后,對(duì)母版兩種不同的固定方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,包括仿真分析和環(huán)境實(shí)驗(yàn),仿真分析通過(guò)Ansys完成,環(huán)境實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬實(shí)際工況的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。

3.1 振動(dòng)仿真

(1)改進(jìn)前的模型仿真試驗(yàn)結(jié)果,如圖7所示。(2)改進(jìn)后的模型仿真試驗(yàn)結(jié)果,如圖8所示。

圖7 未改進(jìn)的模型仿真結(jié)果

圖8 改進(jìn)后的模型仿真結(jié)果

由圖7可看出,位移最大的地方位于母板的的右下角,最大位移0.27 mm。由圖8可看出,現(xiàn)在最大位移為0.11 mm。

結(jié)論:經(jīng)過(guò)兩個(gè)加固板進(jìn)行固定以后,母板上最大的位移量可以減小到原來(lái)的0.3～0.4,可以明顯減小導(dǎo)軌板對(duì)母版的拉扯。

3.2 改進(jìn)后接收機(jī)的環(huán)境實(shí)驗(yàn)

改進(jìn)后的接收機(jī)重新進(jìn)行了振動(dòng)、沖擊和加速度試驗(yàn),如圖9。設(shè)備安裝位置L1=0.3 g2/Hz;螺旋槳通過(guò)頻率(螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)乘以槳葉數(shù)量)F1=71.5 Hz;F2= 2F1;F3=3F1;F4=4F1;尖峰帶寬為中心頻率的±5%。

圖9 振動(dòng)譜

單機(jī)按實(shí)際工作方向安裝(帶減振器)在振動(dòng)臺(tái)上,分別在X、Y、Z三軸向各向振動(dòng)1 h。

功能沖擊:半正弦波6 g,持續(xù)時(shí)間11ms,試品分別進(jìn)行3個(gè)軸向6個(gè)方向的沖擊試驗(yàn),每方向沖擊3 次,共18次沖擊試驗(yàn)。

墜撞安全沖擊:半正弦波15 g,持續(xù)時(shí)間11 ms,試品分別進(jìn)行3個(gè)軸向6個(gè)方向的沖擊試驗(yàn),每方向沖擊2次,共12次沖擊試驗(yàn)。

加速度結(jié)構(gòu)安全實(shí)驗(yàn)值如下:前為1.5 A,后為4.5 A,上為6.75 A,下為2.25 A,左為3.0 A,右為3. 0 A,其中加速度 A=1.0 g,加速度方向定義與GJB150.15相同。

以上試驗(yàn)完成后單機(jī)結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)都正常。

4 結(jié) 論

機(jī)載平臺(tái)與其他平臺(tái)相比有著自身的特殊性,主要表現(xiàn)在機(jī)載電子設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)受到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、飛機(jī)外部氣流干擾以及飛機(jī)的起飛、著陸等產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。因此,在機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)中一定要充分考慮抗振設(shè)計(jì),筆者以CPCI總線結(jié)構(gòu)的單機(jī)設(shè)計(jì)為例,通過(guò)對(duì)故障理論分析、仿真分析和環(huán)境實(shí)驗(yàn)為手段,驗(yàn)證了采用以上抗振設(shè)計(jì)方法可以滿足機(jī)載條件下電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力[3]。

[1]邱成悌.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2002.

[2]譚朝陽(yáng).電子設(shè)備抵抗外界影響及破壞的技術(shù)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(6):628-631.

[3]生建友.機(jī)載電子設(shè)備的防振動(dòng)抗沖擊設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,1999(2):45-47.

Anti-Vibration Design for Airborne Device on CPCIBus

CHEN Yue-hui,YE Fa-liang,SHENWei-wei
(No.36 Research Institute ofCETC,Jiaxing Zhejiang 314033,China)

In this paper,vibration problem of themotherboard ofairborne electronic device on CPCIbus is described.Starting with the fault phenomenon,reasons of the problem are analyzed theoretically,and differences between before and after the design improvement are compared with the simulation tools.After that,environmentalexperiment is conducted to prove the idea. In the end,the vibration problem of themotherboard of airborne device is solved theoretically and practically.

CPCI;airborne;anti-vibration design

TH12

A

1007-4414(2015)06-0113-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.041

2015-09-08

陳越惠(1989-),男,浙江嘉興人,助理工程師,主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。