某機載電子設備減重設計及仿真分析

賈光南

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

機載設備在飛機起飛、著陸、飛行等過程中經受了振動、沖擊、加速度等各種嚴酷的靜動力學環境考驗，面對如此復雜的環境條件，機載設備要求具有較高的可靠性。同時，為了提高飛機的靈活性、飛行速度、飛行距離等，又對機載設備重量要求非常苛刻[1-2]。在設備功能、飛機安裝環境不變的情況下，機載電子設備外形體積已基本固定，解決好機載電子設備的結構可靠性和設備減重的問題尤為重要。本文首先對某初樣機載設備采取多方面的減重優化措施，然后對減重后的設備進行靜動力學仿真，以驗證設備能否滿足機載環境要求。

1 設備減重設計

設備為標準6MCU機箱，由電源模塊、天控激勵模塊、功放模塊三部分拼接而成。以正視天控激勵模塊前面板為視角，左側為電源模塊，右側為功放模塊，設備三維模型如圖1所示。設備重量指標不超過11.6 kg，初樣設備總重13.7 kg，因此要在原重量基礎上至少減重2.1 kg。

圖1 設備三維模型

通過對三部分分別進行減重優化，減重分別為結構件減重和器件減重兩方面。

1.1 結構件減重優化

以設備三部分的殼體、蓋板、散熱齒等結構件為減重對象，殼體整體在滿足其強度及電磁屏蔽的情況下，內壁用T型刀銑加工做到了進一步的減重；蓋板方面，原設計蓋板厚度為2 mm,且所有蓋板背面均銑了減重槽，現將蓋板厚度均改為1.2 mm，背面銑0.4 mm的減重槽，蓋板重量還能減20%左右。散熱齒及散熱齒基板面除必要安裝外(在保證導熱路徑“最短”前提下)均做了減重措施，如對散熱齒尺寸及形狀進行優化，在散熱齒基板上兩散熱齒之間區域銑減重槽。

1.2 元器件減重優化

通過對射頻鏈路進行優化仿真設計，將隔離器數量減少2只，開關濾波器組件減去不再使用；對所用的銅質鍍銀襯板進行更換，更改為較輕的鋁鍍銀襯板；重新對印制板布局，減小印制板尺寸，盡可能不選擇重量大的元器件；合理設計內部線纜，使線纜長度最小化。

1.3 減重結論

經過結構件和元器件兩方面減重后，設備預估質量約為11.5 kg，滿足質量不超過11.6 kg的指標要求，較初樣設備減重約16%。在后續設計中仍需兼顧性能、熱設計進行減重優化。設備重量匯總見表1。

2 力學仿真分析

通過采取多渠道的減重措施，設備重量較大幅度減輕，但是設備在給定的動力學環境條件下滿足強度要求須進一步研究。

表1 設備減重后重量匯總

2.1 動力學環境適應性要求

振動試驗條件：設備功能振動條件如圖2所示。其中，L1=1.2 g2/Hz，F1=107.5 Hz，F2=2F1，F3=3F1，F4=4F1。

圖2 隨機振動試驗譜

設備沖擊試驗條件：采用后峰鋸齒沖擊脈沖波形，按GJB150.18 A-2009規定進行[3]，加速度峰值為40 g，持續時間11 ms，試驗間隔不小于66 ms。

加速度試驗條件：量值為前向20 g，后向10 g，上11.3 g，下20 g，左、右向分別為10 g。

2.2 仿真模型建立

對模型進行必要的簡化，對PCB基板有限元模型采用單一的均質各向同性等效材料等效替代，其元器件按外形和幾何尺寸建立等效模型，采用單一的均質各向同性等效材料。采用等效密度等方法，保證結構質量與真實質量一致。仿真模型主要材料的力學特性參數中主要器件的材料屬性如表2所示。

表2 模型材料基本物理屬性

采用四面體網格，整機網格模型如圖3所示。

圖3 設備網格模型

設備通過2個前鎖緊裝置和后部S6連接器導銷固定在設備艙中，在本次仿真時，采用Fixed Support模擬其固定約束方式。

2.3 結構剩余強度評估方法

(1) 隨機振動條件下的設備結構剩余強度系數計算公式為：

(1)

式中：η為剩余強度系數，當η>1，則滿足設計要求；σs為材料屈服極限；σRMS為均方根應力計算結果。

(2) 加速度和沖擊條件下設備結構剩余強度系數計算公式為：

(2)

式中：η為剩余強度系數，當η>1，則滿足設計要求；σs為材料屈服極限；σmax為時域響應應力計算結果的最大值。

2.4 模態分析

對設備三維模型進行模態分析，所得模態分析結果如表3所示?？梢?，設備殼體的第一階固有頻率為361.03 Hz，設備的剛度較好。

表3 設備諧振頻率及位置

圖4顯示了設備前四階振型圖。

圖4 模態分析振型云圖

2.5 隨機振動仿真及分析

在模態分析結果基礎上，采用PSD法進行隨機振動仿真，輸入設備隨機振動條件，獲得X、Y、Z3個方向的變形和應力。經分析，設備最大隨機振動應力在X方向，如圖5所示，1σ應力為34.50 MPa，位于設備后部S6連接器安裝孔處，利用公式(1)計算設備疲勞剩余強度系數為1.498，滿足設計要求。其它較危險點位于左把手與殼體連接處，剩余強度系數均大于1，滿足設計要求。

圖5 隨機振動仿真結果(X向)

圖6 沖擊載荷下的應力云圖和變形云圖(-Z向)

2.6 沖擊仿真及分析

輸入沖擊試驗條件，對設備進行瞬態動力學仿真。經比較，設備在-Z方向的沖擊響應最劇烈。圖6為-Z向沖擊載荷作用下的設備應力云圖和變形云圖。可見，最大變形為0.054 mm，應力最大值約為11.6 MPa，出現在左把手與殼體連接處。利用公式(2)計算設備結構剩余強度系數為26.72，結構性損壞的可能性很小，完全滿足設計要求。

2.7 加速度載荷仿真及分析

采用靜力學分析方法進行加速度載荷仿真，輸入加速度試驗條件，仿真及分析各個方向載荷作用下的結構應力響應。經對比分析，設備在前向(+Z)加速度作用下的應力值最大，最大應力出現在右把手固定處，約為52.733 MPa，如圖7所示。利用公式(2)計算設備結構剩余強度系數為2.94，處于安全裕度范圍內，結構發生破壞的風險小。

圖7 前向(+Z)加速度作用下應力云圖

2.8 仿真結論

從設備的模態分析、隨機振動仿真、沖擊仿真和加速度仿真結果來看，設備整機結構設計合理，不存在明顯結構損傷風險，結構強度滿足環境適應性設計要求。通過剩余強度系數可以評估設備的強度可靠性，也可以定性地評估出設備的減重富余情況，理論上希望剩余強度系數略大于1，這時結構既能滿足強度要求，質量也越小[4]。對比隨機振動、沖擊、加速度載荷仿真，可發現，設備在隨機振動時，載荷對設備應力及變形影響最大，剩余強度系數最小為1.498，考慮到仿真過程中模型簡化、載荷計算誤差、結構分析誤差、材料性能分散性等因素，該值已經可以說明設備強度能滿足要求，并且繼續減重的余量不大。

3 結束語

本文主要闡述了某機載設備減重優化設計及力學仿真驗證校核內容。首先從結構件減重和元器件減重2個角度對設備進行重量優化設計，然后對減重后的設備進行了模態分析、隨機振動仿真、沖擊仿真以及加速度仿真，驗證了減重后的設備能夠滿足靜、動力學環境要求，并通過剩余強度系數反映了設備減重得比較徹底，為設備結構設計及研制提供了重要理論依據。