某彈載信息采集設備振動分析與減振設計

郭張霞，田家林，裴暢貴

（中北大學機電工程學院，太原 030051）

0 引言

在導彈技術發展過程中，工程人員常以初次飛行數據為依據，對導彈進行后期的研究與改進工作。同時現代化戰爭對導彈技術性能要求不斷提高，工程人員越來越重視彈上飛行數據的收集與分析工作［1］，在這種綜合環境下彈載信息采集設備便應運而生。對于這類彈載電子設備除了要滿足產品自身的電氣性能指標外，還應具備在各種苛刻的機械動態環境下正常工作的能力［2］。根據大量數據顯示，彈載電子設備在實際運用中常受到來自振動、沖擊、離心力以及結構產生的摩擦力等機械外力的破壞，其中危害最大的就是振動與沖擊［3］。有研究結果表明：由振動和沖擊引起的電子系統的失效比例高達 27%［4］。

為了使彈載信息采集設備可以在整個導彈飛行過程中保持正常工作的能力，使其能夠克服各種強振動、強沖擊的惡劣環境，就必須對其進行抗沖擊與減振設計［5-6］。

1 電子設備減振相關理論分析

多自由度振動基本原理與單自由度相同，建立減振系統運動方程如下［7］：

其中，［M］、［C］、［K］分別為減振對象質量、阻尼與剛度矩陣，{y}、{x}分別為基礎支撐運動位移與減振對象（信息采集設備）振動響應位移。

令{u}為彈載設備相對基礎支撐的位移向量，則式（1）可轉化為：

彈載電子設備減振系統初步采用底部安裝4個減振器的減振方法［8-10］，同時各減振器安裝位置對稱分布于兩個慣性主軸平面。

同時采用模態疊加法對式（2）進行求解，可得模態矩陣：

其中，ξi為第i階模態特征向量，定義模態坐標{Q}={q1，q2，q3，q4，q5，q6}，位移向量可表示為：

由式（5）可以看出振動系統已解耦，因而可依據單自由度振動公式計算得出qi，將其代入式（4）則可求得設備各敏感元件或組件振動響應結果。

2 信息采集設備振動特性分析

2.1 信息采集設備結構簡化及有限元建模

對設備進行結構簡化如圖1所示。

圖1 設備裝配關系簡化前后

電源模塊包含二次電源電路板、隔離電源、濾波器與二次電源各1個，如圖2（a）所示；光纖連接器模塊包含4個光纖連接器，如圖2（b）所示；探測器電路模塊包含1塊探測器電路主控板與6塊探測器電路板，如圖2（c）所示。

2.2 設備固有動態特性分析

設備前10階模態參數如表1所示。

圖2 設備關鍵部位重點元器件編號說明

表1 設備前10階模態諧振點

2.3 設備總體振動力學分析

在模態分析階段提取前2000 Hz以內的共振頻率值及相應振型。初步設置結構阻尼為：0.025。分布云圖如圖3所示。

圖3 設備的應力與位移分布云圖

仿真結果分析：X向最大應力部位左側螺釘連接處（27.316 Mpa）最大位移部位光源發生模塊右上端（0.102 mm）；Y向最大應力部位右側螺釘連接處（14.86 Mpa）最大位移部位上蓋中間靠近光纖連接器處（0.039 mm）；Z向最大應力部位安裝板中間部位（14.07 Mpa）最大位移部位上蓋中間靠近光纖連接器處（0.029 mm）。

2.4 電源模塊振動特性分析

2.4.1 電源模塊振動力學分析

其響應應力與位移分布云圖如下頁圖4所示。

仿真結果分析：X向最大應力部位二次電源左下方（3.22 Mpa）最大位移部位二次電源電路板右下方（0.010mm）；Y向最大應力部位二次電源下方中間（4.01 Mpa）最大位移部位二次電源電路板右上方（0.012 mm)；Z向最大應力部位二次電源下方中間（0.17 Mpa）最大位移部位隔離電源右下端（0.0085 mm）。

由此可以得出電源模塊在設備主箱體上的安裝部位在Y方向剛度最弱，X方向其次，Z方向最強，可知，受Y方向振動時最容易對設備電源模塊造成疲勞破壞。

2.4.2 電源模塊隨機振動響應曲線分析

完成仿真計算后，對設備電源模塊各元器件的振動響應量級進行記錄，如表2所示。

圖4 設備電源模塊的應力與位移分布云圖

表2 設備電源模塊各元器件響應振動量級參數表

由表2看出，設備電源模塊受Y方向振動時的響應量級明顯高于其他兩個方向，從而可以進一步驗證，電源模塊在設備主箱體上的安裝部位在Y方向上剛度最弱，X方向其次，Z方向最強。受Y向振動時，隔離電源最容易發生振動破壞。

隔離電源其3個方向上的振動響應功率譜曲線如圖5所示。

圖5 不同方向隔離電源振動功率譜響應曲線

其中，隔離電源受Y方向振動時的響應量級最大，在20 Hz～2000 Hz范圍內發生了3次共振，其中最高共振峰所對應的諧振頻率為1046.9 Hz；受X方向振動時隔離電源共發生了2次共振，其諧振頻率分別為1242 Hz與1815.4 Hz，與設備模態分析結果基本吻合。

經數據處理，設備受Y向振動時，各元器件的振動響應功率譜密度對比曲線如圖6所示。

圖6 受Y向振動時各元器件響應功率譜密度對比曲線

綜上所述，從設備電源模塊總體振動響應結果來看，對電源模塊影響最為嚴重的振動方向為Y方向，其次為X方向，最小為Z方向，從電源模塊各元器件的響應曲線來看，各元器件受同一方向振動時的響應曲線規律相同。

3 信息采集設備減振方案設計與分析

3.1 減振方案設計

采用的整體減振與局部減振相結合的減振方案。

3.2 探測器電路板模塊抗振加固設計

對于印制電路板的抗振加固設計，主要有兩種方式：一是增加印制板厚度；二是對印制板背部添加加強筋。

3.2.1 增加電路板的厚度

3種厚度印制板的模態仿真結果如表3、表4所示。

表3 不同印制電路板厚度固有頻率對比

表4 不同印制電路板厚度隨機振動響應對比

增加印制板厚度可有效提高探測器電路模塊的抗振性能。

3.2.2 背部添加加強筋

根據前期振動響應分析結果可以看出，探測器印制電路板上端剛性較弱，底部由于直接與插針相連，剛度一定程度上有所提高，因此，加強筋的安裝位置如圖7所示。

圖7 加強筋安裝示意圖

隨機振動分析結果如表5所示，其加速度與位移響應云圖分別如圖8、圖9所示。

表5 不同印制電路板厚度隨機振動響應對比

圖8 探測器印制電路板振動加速度響應對比

圖9 探測器印制電路板振動位移響應對比

對印制電路板背部添加加強筋可有效提高探測器模塊的抗振性能。

綜上所述，隨著印制板厚度的增加，探測器印制電路板的剛度不斷提高；對印制電路板背部添加加強筋同樣可以增大探測器印制電路板的剛度。但在印制電路板的厚度過大時，將大大增加探測器集成器件的焊接難度。經綜合考慮，采用增加探測器印制板厚度為2 mm和背部添加加強筋相結合的方式進行抗振設計。

3.3 設備整體減振設計

設備減振器裝配圖如圖10所示。

圖10 設備外部減振器裝配圖及安裝位置

3.3.1 電源模塊減振分析

整體減振后電源模塊中4個元器件的振動響應量級如表6所示，同時對比表2，可以計算得出電源模塊各元器件的減振效率如表7所示。

表6 電源模塊各元器件振動響應量級

表7 電源模塊各元器件減振效率

表7中各元器件的減振效率均高于45%，滿足設計要求，其中Y向振動的減振效率最高，X向減振效率其次，Z向減振效率最弱。為了更加詳細了解各元器件的減振情況，分別受X、Y、Z向振動時各元器件的響應功率譜密度對比曲線分別如下頁圖11所示。

根據彈載信息采集設備減振后電源模塊的振動響應結果，此種減振方案已經滿足了減振設計要求。

4 結論

在彈載信息采集設備的振動分析及減振設計過程中取得如下研究成果。

1）對彈載信息采集設備三維模型進行簡化及等效建模，顯著提高了有限元仿真的計算效率，大大縮短了運算時間。

圖11 振動電源模塊各元器件響應功率譜密度曲線

2）通過對彈載信息采集設備進行模態分析與隨機振動分析，得出設備各關鍵模塊的振動響應規律，即設備各關鍵模塊主要在高頻階段發生共振，這為信息采集設備減振系統設計提供了依據。

3）在彈載信息采集設備減振系統的仿真分析過程中，完成減振器的等效模擬及減振系統振動特性分析，為以后減振系統的有限元仿真提供參考。

［1］董梅.艦船指控設備機械結構設計的幾個問題［J］.兵工自動化，2014，33（10）：33-36.

［2］秦麗，陳員娥，李峰.彈載存儲設備在侵徹下的失效分析［J］.彈箭與制導學報，2014，34（8）：158-161.

［3］李沅，李凱，王曉飛，等.彈載制導系統抗振動與高過載沖擊設計仿真［J］.中北大學學報（自然科學版），2014，35（3）：293-297.

［4］陳燕.彈載直流電源的動態特性研究［D］.成都：電子科技大學，2010.

［5］李朝旭.電子設備的抗振動設計［J］.電子機械工程，2002，18（1）：51-53.

［6］陳榮.斜置隔振系統功率流傳遞特性研究［D］.濟南：山東大學，2010.

［7］李冰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［8］唐煒斌.某型機載電子設備安裝架動力學分析與優化設計［D］.成都：電子科技大學，2008.

［9］仇遠旺，王國治.基于振動傳遞分析的艦船輻射噪聲特性研究［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2011，25（2）：110-114.

［10］武振鵬.車載電子設備的隔振系統設計［J］.石油儀器，2014，28（3）：15-18.