淺述裝甲車載電子設備的減振分析與仿真

周凱 段斐 趙鵬 黃卓 陳麗紅

摘 要 裝甲車載電子設備在隨車行進過程中，會受到來自環境的振動和沖擊，可能會對電子設備及內部電路板造成大的影響。在分析了多種機械振動控制方法后，本文采用隔振消振法來對設備進行有效的減振。利用有限元分析方法討論了減振器的參數及布置方式對減振效果的影響，為電子設備合理選擇減振器提供了參考依據。

關鍵詞 電子設備;減振分析;仿真

裝甲車載電子設備所處的環境比較惡劣，在隨車行進中會受到來自裝甲車底盤的振動或沖擊，可能會對電子設備及其內部的電路板造成的大的影響。因此在電子設備設計過程中需要考慮電子設備的防振設計。

1 電子設備的減振分析

目前常用的裝甲車載電子設備的防振設計有：減弱與消除振源、結構動力學優化、附加振動控制結構、振動自適應結構設計等方法[1]。減弱與消除振源是指在振動產生處消除振源或減小振源的能量，是一種最根本的振動控制方法，其主要是改善不平衡的力或力矩引起的設備的振動，如氣缸往復運動的慣性力、汽油機的周期性移動等，在大型航天航空設備及汽輪發電機上應用較多，費用昂貴，在裝甲車內應用較少。結構動力學優化即指優化設計系統結構，改善振動系統的動力學系統，以增加系統本身的動剛度，避開共振區。振動自適應結構設計是指在振動控制過程中，根據檢測到的振動信號，應用一定的控制策略，經過實時計算，進而驅動作動器對結構或系統施加一定的力，達到抑制振動的目的，這種方法一般要有傳感器、智能作動器、驅動器等組成，結構復雜，在裝甲車內也應用較少。

附加振動控制結構是目前裝甲車載電子設備最常用的防振手段，是指在振源與受迫振動體之間增加減振或隔振裝置，通過彈性體結構減弱振動傳遞，通過阻尼結構增加材料阻尼，降低振動能量，包括隔振消振法、阻尼結構減振法等[2]。本文采用在電子設備上加外置減振器的方式來減振，利用有限元建模來計算電子設備的模態振型，分析電子設備機箱及內部電路板在不同減振器參數下的響應情況，進而得到電子設備的最優減振效果。

2 基于Ansys Workbench的減振仿真

隨著現代化技術的突飛猛進，以有限元技術為主的CAE技術越來越得到工程界的重視，各行業紛紛利用CAE軟件來提升產品研發能力。Ansys Workbench軟件就是一款先進的工程仿真技術集成軟件，可以實現結果靜力學分析、結構動力學分析、疲勞分析等功能。本文即利用該軟件進行動力學仿真。

本文以某型號全加固服務器為例，如圖1所示，其重量約為22kg，機箱材料為鋁合金，安裝于裝甲車內部甲板上，在隨車行進中，會受到來自裝甲車底盤的振動沖擊。選用金屬干摩擦無諧振減振器為其減振，并探究減振器參數選擇與布置方式對其減振效果的影響。

在Ansys Workbench軟件中構建裝甲車內部的振動環境，以輪式車隨機振動的功率譜密度曲線為輸入，設定邊界條件，添加材料特性，劃分網格，然后利用軟件中的模態分析模塊對模型進行模態分析，再選用隨機振動模塊進行分析計算，即可得到電子設備及其內部電路板在裝甲車隨機振動環境下的應力及應變分布圖。

2.1 減振器參數設計

首先分析減振器參數對減振效果的影響。本文將金屬干摩擦無諧振減振器簡化為單自由度彈簧阻尼系統，其內部機構等效為彈簧-阻尼器結構。服務器通過減振器與裝甲車甲板連接，選用四個減振器，每個減振器的承重約為5.5kg。依據服務器固有頻率及其運動微分方程，選取阻尼比0.16，剛度分別為1.0 kN/m、1.5kN/m、2.0 kN/m的三種參數的減振器進行仿真，得到服務器的機箱上的最大應力分別為33.6MPa、29.9MPa、26.4MPa，最大變形量分別為2.46mm、1.46mm、1.01mm。可以發現，在其他條件相同的情況下，減振器剛度越大，減振效果越好，所以選用阻尼比0.16，剛度2.0kN/m的減振器進行減振。

2.2 減振器布置方式

選取兩種不同的減振器布置方式來探究其對服務器減振效果有無影響。兩種減振器布置方式均為常見的減振器布置方式，分別是十字形與四周型。十字型即沿十字形布置四個減振器，四個減振器呈對稱分布，底部固定于裝甲車甲板上，服務器的重心位于四個減振器的中心位置，進而使得減振器受力均勻，提高減振性能。四周型即沿矩形四個角布置四個減振器，與十字形布置方式類似，四個減振器也呈對稱分布，且中心位置也與服務器重心位置重疊，受力均勻。

針對兩種減振器布置方式分別進行仿真計算，得到服務器機箱的最大應力為26.4MPa（四周型）和30.7MPa（十字型）。可以發現，減振器四周型布置方式在減振效果上略好于十字型布置方式。圖2為四周型布置方式下服務器內部的電路板應力分布情況，電路板的最大變形量為0.443mm，最大應力為3.37MPa，遠小于其屈服強度，滿足強度要求。

3 結束語

本文針對裝甲車載的電子設備進行了振動分析，建立了減振平臺，并通過有限元仿真計算，得到了不同減振器參數及布置方式下的電子設備及內部電路板的響應情況，為機箱的結構設計、電路板組件的結構設計、減振器的合理布局、減振器參數的合理選擇提供設計依據。

參考文獻

[1] 馬帥旗.機載電子設備減振設計[J].噪聲與振動控制，2014，34（2）：185-187.

[2] 趙鵬.淺析電子設備結構設計[J].科學與信息化，2018，（599）：119.