某星載陣面電源分配器隨機(jī)振動(dòng)及沖擊分析

胡文超，張 池

(合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230009)

0 引言

星載陣面電源分配器的功能是將試驗(yàn)艙內(nèi)的儲能電池、平臺母線提供的電源進(jìn)行匯流并分配至各個(gè)功能模塊，其可靠性至關(guān)重要，因而在研制階段需要充分考慮其壽命周期內(nèi)的各種力學(xué)環(huán)境[1]。陣面電源分配器需經(jīng)歷運(yùn)輸、發(fā)射等階段不同的振動(dòng)環(huán)境，為提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性、縮短設(shè)計(jì)周期、縮減研發(fā)經(jīng)費(fèi)，本文通過有限元法對陣面電源分配器進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)及沖擊分析，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 陣面電源分配器構(gòu)成

如圖1所示，陣面電源分配器主要由殼體、上蓋板、下蓋板、電連接器以及印制板構(gòu)成。

圖1 陣面電源分配器組成

2 建立陣面電源分配器有限元模型

有限元分析通常包含離散化幾何模型、添加單元截面特性和材料特性、施加載荷和邊界條件、確定分析類型以及輸出結(jié)果幾個(gè)步驟。

2.1 離散化幾何模型

有限元分析的第一步即是用有限的單元描述連續(xù)的幾何體，將連續(xù)體人為地在內(nèi)部和邊界上劃分節(jié)點(diǎn)，并以單元的方式逼近復(fù)雜的幾何形狀，即幾何模型的離散化，單元和節(jié)點(diǎn)的集合稱為網(wǎng)格。通常網(wǎng)格的數(shù)量越多、密度越大，計(jì)算的精度也越高，但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加時(shí)分析所需的計(jì)算量及計(jì)算時(shí)間大大增加，對硬件的要求也越高，因此為了兼顧計(jì)算量與計(jì)算精度，在有限元建模時(shí)需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化。針對本文中陣面電源分配器模型進(jìn)行以下簡化：①刪除不影響結(jié)構(gòu)的圓角、倒角和螺紋孔；②不考慮電連接器引針對結(jié)構(gòu)的影響；③螺釘連接采用梁單元處理。

本文采用Hex Dominant進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示，劃分完成后單元數(shù)量為231 608，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為932 617。陣面電源實(shí)際安裝坐標(biāo)系中X軸與長邊夾角為60°，Y軸與長邊夾角為30°，Z軸通過右手定則確定。

圖2 陣面電源分配器有限元模型

2.2 材料屬性

陣面電源分配器殼體、上蓋板、下蓋板材料為鋁板2A12-T4，印制板材料為覆銅環(huán)氧玻璃布板，各材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

2.3 邊界條件及載荷條件

陣面電源分配器通過底部4個(gè)安裝孔進(jìn)行固定，其隨機(jī)振動(dòng)載荷見表2，沖擊載荷見表3。

表2 陣面電源分配器隨機(jī)振動(dòng)載荷

表3 陣面電源分配器沖擊載荷

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是所有振動(dòng)分析的基礎(chǔ)[2]，其目的是識別系統(tǒng)的模態(tài)屬性，為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析、故障診斷、優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供可靠依據(jù)。陣面電源分配器工作頻率范圍為10 Hz～2 000 Hz，因此提取2 000 Hz以內(nèi)的模態(tài)。通過對陣面電源分配器4個(gè)安裝孔進(jìn)行固定約束，然后進(jìn)行模態(tài)分析，得出陣面電源分配器的基頻為1 203.1 Hz。陣面電源分配器2 000 Hz以內(nèi)的模態(tài)振型圖如圖3所示。

圖3 陣面電源分配器前4階模態(tài)振型圖

4 隨機(jī)振動(dòng)及沖擊分析

對陣面電源分配器進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，設(shè)置阻尼比為0.03，隨機(jī)振動(dòng)條件見表2，得出殼體的最大3σ應(yīng)力及3σ變形云圖如圖4所示。

圖4 隨機(jī)振動(dòng)載荷下殼體最大3σ應(yīng)力及3σ變形云圖

對陣面電源分配器進(jìn)行沖擊分析，沖擊載荷見表3，得出殼體的最大應(yīng)力及變形云圖，如圖5所示。

通過圖4和圖5可知:在隨機(jī)振動(dòng)載荷下，殼體的最大3σ應(yīng)力為34.72 MPa，最大3σ變形為0.036 mm；在沖擊載荷下，殼體最大應(yīng)力為203.34 MPa，最大變形為0.22 mm。

圖5 沖擊載荷下殼體最大應(yīng)力及變形云圖

根據(jù)星載產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其能承受的最大載荷(最大靜、動(dòng)力綜合載荷)，設(shè)計(jì)載荷為鑒定載荷與最大安全系數(shù)的乘積。在設(shè)計(jì)實(shí)際載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生破壞，安全系數(shù)應(yīng)按以下標(biāo)準(zhǔn)選取：

(1)對于屈服極限安全系數(shù)一般不小于1.20。

(2)對于破壞載荷安全系數(shù)一般不小于1.35。

對于屈服和強(qiáng)度極限載荷條件，設(shè)備結(jié)構(gòu)部件應(yīng)具有正的安全裕度，安全裕度的計(jì)算式為[3]：

(1)

其中：Ms為安全裕度；[σ]為屈服極限；σmax為最大應(yīng)力；n為安全系數(shù)。

安全裕度應(yīng)不小于表4中規(guī)定的數(shù)值。

表4 安全裕度數(shù)值

取安全系數(shù)為1.2，根據(jù)公式(1)計(jì)算得出殼體部件安全裕度為：

通過計(jì)算可知，殼體的安全裕度為0.13，最大3σ變形為0.22 mm，剛強(qiáng)度均滿足使用環(huán)境的要求。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了某星載陣面電源分配器的有限元仿真分析過程，通過仿真分析得出了陣面電源分配器的最大應(yīng)力及變形，驗(yàn)證了陣面電源分配器結(jié)構(gòu)的可行性。