一種機載設備機架及振動夾具設計與分析

陳詩超，梁 國，張 朝，張新悅

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081；2.秦皇島天業通聯重工科技有限公司,河北 秦皇島 066000)

0 引言

隨著噴氣式飛機機動性能的不斷提高，對機載外掛物研制和生產過程中的可靠性提出了更高的要求。外掛吊艙的大部分振動是由于飛機發動機形成的聲壓場引起的[1]。這種聲壓場主要是源于發動機尾噴管下游氣流的劇烈擾動。因而外掛電子吊艙主要經受發動機噪聲、氣動湍流和大機動式的載機振動三方面的振動，經過機體或機翼等大結構的濾波作用后，一般高頻振動(從不大于1 000 Hz開始)不能傳遞給外掛吊艙[2]。因此對于艙內設備主要考慮低頻振動下的結構強度設計要求。

力學試驗是驗證和解決機載設備在飛機振動環境中可靠性的重要手段。夾具是振動試驗中連接被試件和激勵臺的關鍵過渡件[3-5]，應能夠不失真地將振動臺輸出振幅和振動能量傳遞給被試件，同時模擬設備在真實使用條件下的裝配環境。本文據此進行了夾具的結構設計與仿真分析。

本文針對機載外掛吊艙內裝環境，采用CATIA和ANSYS軟件相結合進行建模分析，設計綜合設備機架，并研制其振動夾具進行動態仿真，提高綜合設備機架和夾具的力學性能。

1 綜合設備機架設計

1.1 機架結構設計

載機平臺的振動頻譜將在3～1 000 Hz范圍變化，其峰值加速度水平在1～5 g。在垂直方向產生的最大加速度通常出現在100～400 Hz范圍內。噴氣式飛機會在其電子系統設備中的每一個電子模塊上激發多諧振方式，為了防止電子板卡快速疲勞故障的諧振多發，應設計印制板與屏蔽盒能夠協調一致。本文采用北約組織2007年發布的四代機模塊ASAAC標準，該標準模塊作為外場可更換單元(LRU)，空間利用率較高，環境適應性較強，維修性好[6]。

隔振緩沖是提高設備抗振、抗沖擊能力的有效措施，但是隔振設計對設備本身的強度和剛度同樣有較高要求[7]，并且在綜合設備機架四周要有足夠的搖振間隙，避免與其他產品發生碰撞。本文綜合機架的空間狹窄、尺寸受限，無法滿足安全間隙的要求，只能利用一個高強度和剛度的機箱來降低諧振時的共振放大因子。

為有效冷卻18個電子模塊的熱耗，機箱采用上中下三層冷板焊接成型。機箱設計為上下對稱結構，重心較高，設計時重點考慮了因重心較高而在振動、沖擊過程中產生的附加橫向力矩。機架上下冷板均與電子吊艙剛性固定，減小頂部振動位移，從而降低因附加力矩產生的彎矩等其他附加載荷。

考慮到該機箱為多冷板焊接結構，并且對重量要求較高，選用熱塑性高，中等強度，焊接性優良，耐蝕性及冷加工性好的6063鋁合金。

結合以上因素，設計了綜合設備機架，該機架共計18個電子模塊槽位，長方體結構，最大外形尺寸為390 mm×280 mm×364 mm，質量約43 kg。

1.2 機架結構模態分析

采用CATIA軟件建立機箱三維結構模型，將機箱框架的三維模型導入ANSYS中[8]。對三維模型進行局部處理，簡化對力學分析影響不大的修飾性特征和圓角。對模型進行網格劃分建立坐標系，如圖1所示。在機架安裝點處施加固定約束，將機架約束于安裝處。

采用模態分析模塊，計算得到機架的固有頻率和振型。其中，前6 階固有頻率和模態振型，如表1和圖2所示。

圖1 設備機架仿真模型網格劃分Fig.1 Finite element mesh of the equipment frame model

表1 機架前6階固有頻率
Tab.1 Six extended frequency of the equipment frame

階次頻率f/Hz1396.982536.543565.074675.915844.286866.57

圖2 機箱框架第1～6階模態陣型Fig.2 Firist six modes of the equipment frame

通過模態計算結果可以看出，機箱框架第1階主要為沿X軸的平動；第2階和第4階主要為機架插座安裝處側板振動；第3階和第5階主要為繞Z軸方向的扭動；第6階主要為XY平面內的彎曲振動，伴隨Z向的扭曲運動。從機架模態分析中可以看出，在機架低頻振動中，X方向振動表現明顯。說明該機架X方向的剛度較低，容易引起較大的位移變形。因此，設計夾具時應重點加強X方向的剛度設計，以提高夾具和機箱組合在X方向的剛度[9]。

為便于在振動試驗中檢驗產品的真實振動情況，按照振動試驗條件針對該機箱設計了一款專用夾具。

2 振動夾具設計

振動夾具主要用于振動、沖擊以及加速度等試驗中，是將激勵臺的載荷不失真地傳遞給被試件的必要機械連接裝置[10-11]。一個合格的振動夾具應能夠滿足控制譜要求，不會造成“過振動”或“欠振動”，從而保證環境試驗的有效性。本文主要設計原則如下：

① 頻響特性滿足使用要求，即振動夾具與被試件之間不會發生共振耦合；

② 比剛度高，阻尼大，需要將激勵載荷以原頻率、原波形地傳遞到被試件上，夾具必須有足夠的剛度；

③ 為降低在非激勵方向上的附加振動載荷，對于中大型夾具應考慮對稱結構[12]；

④ 夾具與激勵輸出動圈連接可靠，夾具與動圈之間的連接螺栓應盡可能多，且夾具底面加工精度要高。

振動夾具加工常用的材料如表2所示。

表2 夾具材料的物理特性
Tab.2 Physical properties of fixture materials

材料楊氏模量E/GPa密度ρ/(N/cm3)E/ρ/(106m3Pa.kg-1)鋁60～702.6～2.8025～26鎂40～421.76～1.8122～24鈦102～1104.40～4.8021～25

控制夾具固有頻率的因素是E/ρ，E代表楊氏模量，ρ代表密度。應優先鋁和鋼，而鋁的粘性阻尼大約是鋼的4倍，因此該機箱振動夾具主要采用鋁合金加工[13]。

綜合設備機架與其他武器類裝備有所不同，本文內裝機箱突出特點是互聯關系復雜，連接器、液冷管路較多，需考慮拆卸和安裝方便，可操作性高。考慮機架上下剛性約束的要求，夾具常用的過渡板、L型件、T型件均不適用于本次試驗。該夾具考慮開口形結構由4塊厚鋁板螺裝而成，在保持夾具對稱性的基礎上，滿足試驗時的加電、供液、反復拆卸安裝的試驗要求。

圖3 振動夾具三維模型Fig.3 Vibrating fixture model

在振動夾具的可靠性研究中，往往僅單獨考慮振動夾具，而忽略了被試設備對振動夾具的邊界效應，導致夾具空載時的仿真結果與試驗過程中的受力情況有較大差異。為提高仿真結果的準確性，本文將振動夾具與機箱作為整體進行模態和動強度的分析，進而判斷設計是否滿足振動試驗要求。

考慮到載機的激勵頻帶較寬，將求解計算擴展到前30階模態分析計算，夾具與機箱組合的前10階固有頻率如表3所示。計算結果顯示：機箱與夾具的組合件第1階固有頻率為295.95 Hz，陣型為XY平面內的彎曲振動；第2階為YZ平面內的彎曲振動；第3階為繞Y軸方向的扭轉；第4階和第5階為接插件安裝板處的局部彎曲運動；第6～9階為夾具側立柱在Y軸方向上的彎曲運動；第10階夾具和機箱為繞Y軸方向的扭轉運動。

表3 夾具與機箱組合前10階固有頻率
Tab.3 Ten Extended frequency of the combination of fixture and frame

模態頻率/Hz1295.952378.333518.954700.775718.77模態頻率/Hz6896.8571 014.3081 117.2091 226.60101 292.50

3 隨機振動仿真分析

通過有限元法求解得到機箱和夾具的模態特性，從而可預測結構體在外部激勵或內部激勵下的振動響應情況。隨機振動分析是一種以功率譜密度譜線為輸入條件來確定響應譜的分析方法[14]。通過隨機響應分析可得到在隨機激勵載荷下的位移、速度、加速度的分布情況。從而直觀地判斷出整機振動響應最大的部位或區域。

根據GJB150A要求[15]查閱噴氣式飛機貨物振動環境該設備的振動譜型如圖4所示，三軸向分別1 h。

圖4 振動試驗譜Fig.4 Vibration test spectrum

通過隨機響應分析可得綜合設備機架的最大應力112.11 MPa位于綜合設備機架安裝點處，如圖5所示，其值小于許用應力。

圖5 設備機架隨機響應分析Fig.5 Random response analysis of the equipment frame

4 試驗驗證

根據設計圖紙，制造加工了綜合設備機架和夾具實物。為了驗證理論計算結論，按照GJB要求的振動條件進行綜合設備機架的功能振動和沖擊試驗[16]。試驗結論表明:綜合設備機架可正常工作，滿足強度要求;振動夾具未產生諧振且控制良好,滿足夾具的使用要求。

圖6 綜合設備機架及其振動夾具實物Fig.6 Equipment frame and its vibrating fixture

試驗過程中在振動夾具的頂部和底板的對角點上各置一個控制傳感器，對兩個控制點進行平均控制。在綜合控制機架頂部和夾具底板各放置一個監測傳感器。

振動前對機架和夾具進行了掃頻預振動，振動顯示兩者組合體的第1階頻率為275 Hz，與仿真結論相近。

隨機振動過程的圖譜如圖7所示，在20～2 000 Hz范圍內，振動過程中振動幅度較為平穩，加速度譜線控制于±3 dB的容差帶內。因此認為該夾具可用于綜合設備機架的振動試驗。

圖7 隨機振動功率譜密度Fig.7 Power spectral density curve of random vibration

目前該型綜合機架已完成裝艙任務，整艙振動、沖擊試驗中均未發生問題，并且完成了試飛任務，整個過程中綜合機架未發生因振動沖擊導致的故障。

5 結束語

本文設計了一種新型機載綜合設備機架，對其進行了模態仿真，對綜合設備機架和振動夾具進行了聯合仿真，并對仿真分析的結果進行了試驗驗證，試驗結果表明設計的綜合設備機架和振動夾具在設計的振動條件下滿足使用要求。對綜合設備機架設計和振動夾具設計具有一定的指導價值。