機載電子設(shè)備后矩形連接器裂紋故障分析及仿真驗證

杜轍 魏一鳴 王健

摘 要：某機載電子設(shè)備已完成環(huán)境試驗，自檢時發(fā)現(xiàn)該機載電子設(shè)備的后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體下沿出現(xiàn)裂紋，對其進行故障分析，是托架無法有效固定產(chǎn)品，造成振動過程中產(chǎn)生位移，產(chǎn)品后矩形與加電后矩形電纜產(chǎn)品不合理碰撞所致。通過強度仿真，對故障的原因以及后續(xù)可能造成的不良后果均進行了模擬驗證。

關(guān)鍵詞：機載電子設(shè)備;振動故障;有限元分析

中圖分類號：V243? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0072-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.021

0? ? 引言

眾所周知，機載電子設(shè)備功能復(fù)雜強大，是飛機的重要組成部分。但機載電子設(shè)備在日常飛行以及作戰(zhàn)過程中經(jīng)常受到各種各樣的振動、沖擊等載荷[1-2]，如果機載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)力較差，在遇到極其惡劣的天氣環(huán)境時則容易受到損害，所以機載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)力的強弱會直接影響飛機戰(zhàn)斗力的強弱;且以往的事例表明，機械設(shè)備出現(xiàn)的故障有40%以上是由機械振動引起的[3-4]。

可見，只有有效提高機載電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力，才能有效提高飛機的戰(zhàn)斗力水平，這也是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對我國機載電子產(chǎn)品提出的必然要求[5]。因此，有必要在工程設(shè)計源頭進行控制，優(yōu)化結(jié)構(gòu)薄弱部位，實現(xiàn)設(shè)備的可靠工作和優(yōu)良壽命[6]。

機載電子設(shè)備一般安裝在標(biāo)準(zhǔn)機柜/機架內(nèi)，其內(nèi)部一般都含有精密的電子部件和較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在機柜/機架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要進行專門的機械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計[7-8]。一種成熟的機載電子產(chǎn)品通過了調(diào)試和例行試驗，但在振動試驗完成后進行外觀自檢時，發(fā)現(xiàn)該機載電子設(shè)備的后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體下沿出現(xiàn)裂紋。

1? ? 故障現(xiàn)象

機載電子設(shè)備進行功能振動試驗，試驗方向分別為X、Y、Z。該機載電子設(shè)備在做試驗過程中各項功能指標(biāo)正常，但在后續(xù)的自檢過程中，發(fā)現(xiàn)后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體的下沿出現(xiàn)不同程度的裂紋。

1.1? ? 故障分析

首先對故障進行了復(fù)現(xiàn)（確認(rèn)整個過程中，托架安裝緊固，無松動情況;加電后矩形電纜安裝緊固，無松動情況）。

（1）使用原托架與備件產(chǎn)品進行摸底試驗，產(chǎn)品上加裝傳感器監(jiān)控振動情況，振動X方向與Z方向，產(chǎn)品頻率小于100 Hz，與第4個定頻83 Hz疊加，振動位移噪聲大，出現(xiàn)“鐺鐺鐺”的金屬磕碰聲音。

（2）使用新托架與備件產(chǎn)品進行摸底試驗，產(chǎn)品上加裝傳感器監(jiān)控振動情況，振動X方向與Z方向，設(shè)備固有頻率在160 Hz左右，振動位移噪聲小。

綜上，發(fā)現(xiàn)原托架與新托架相比，在振動時整體設(shè)備的固有頻率降低，與第4個定頻疊加，會造成產(chǎn)品產(chǎn)生很大的振動量級。

1.2? ? 故障原因分析

（1）新托架振動固有頻率大于100 Hz，振動位移和噪聲較小;原托架的振動一階固有頻率低于100 Hz，會和振動激勵的第4個定頻83 Hz疊加，導(dǎo)致振動位移和噪聲較大，從而造成后矩形連接器斷裂。

（2）原托架特征：后銷錐組件松動、前掛鉤組件彈簧力度小、前后底座安裝孔變形、導(dǎo)向件破損，這些因素均對托架振動特性有所影響。

（3）通過逐一更換原托架后彈簧銷、前插桿組件、前后底座，可以將固有頻率提升到正常水平，使振動位移和噪聲降低，說明此托架問題不是某一個零件的影響，是因為托架長時間使用，受力部位磨損，緊固性能變差，導(dǎo)致固有頻率降低。

結(jié)論：由于工裝托架長時間使用，各部位出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨損，在振動過程中，托架無法有效地固定產(chǎn)品，造成振動過程中產(chǎn)生位移，產(chǎn)品后矩形與加電后矩形電纜產(chǎn)品不合理碰撞，進而導(dǎo)致后矩形連接器出現(xiàn)裂紋。

2? ? 強度仿真

為進一步驗證安裝架松動是否會影響除后矩形連接器之外的其他結(jié)構(gòu)件，下面進行了仿真分析[9]。

該機載電子設(shè)備振動環(huán)境的特點是在寬帶隨機上迭加了很強的振動峰值，其振動圖譜[10]如圖1所示。

首先對后矩形連接器進行了仿真分析，如表1所示。

從表1可看出，后矩形連接器施加向下的位移約束，最大受力部位在下腔體下表面，與裂紋位移一致。當(dāng)位移0.2 mm時，最大應(yīng)力小于材料的強度極限540 MPa，有1.53倍的安全余量;當(dāng)位移0.4 mm時，最大應(yīng)力與材料的強度極限接近，有斷裂的風(fēng)險。說明后矩形安裝尺寸在±0.2 mm內(nèi)受力正常，不會產(chǎn)生斷裂，若尺寸超過公差范圍，后矩形有斷裂的風(fēng)險。

之后對整個機載電子設(shè)備產(chǎn)品進行了正常及故障兩種狀態(tài)的仿真分析，如表2、表3所示。

由表2可知，正常安裝狀態(tài)，結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力發(fā)生在前B型把手掛鉤上，為136 MPa，此零件材料為鋁合金LY12-BCZYU，其疲勞強度為140 MPa，最大應(yīng)力小于疲勞強度，滿足振動要求。

印制板最大振動變形為0.057 mm，按照Steinberg印制板元器件耐振動變形經(jīng)驗公式，印制板上元器件允許的最大振動變形為0.28 mm，印制板最大振動變形小于允許值，滿足振動要求。

由表3可知，故障狀態(tài)下，即在安裝架前后緊定松動，后矩形連接器約束情況下，結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力發(fā)生在機箱后矩形連接器，為515 MPa，此零件材料為鋁合金LY12-BCZYU，其極限強度為420 MPa，最大應(yīng)力大于極限強度，后矩形連接器結(jié)構(gòu)件會發(fā)生振動失效。

印制板最大振動變形為0.21 mm，按照Steinberg印制板元器件耐振動變形經(jīng)驗公式，印制板上元器件允許的最大振動變形為0.28 mm，印制板最大振動變形小于允許值，滿足振動要求。

以上仿真驗證了在安裝架前后緊定松動情況下，結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力發(fā)生在機箱后矩形連接器，其最大應(yīng)力超過材料極限強度，會發(fā)生振動失效。此狀態(tài)下機箱內(nèi)部模塊最大振動變形小于許用值，滿足振動壽命要求，不會發(fā)生損傷。說明安裝架前后緊定松動狀態(tài)只會對后矩形連接器造成破壞影響，但不會影響到其他部件。

3? ? 結(jié)語

本文主要探討了某機載電子設(shè)備在振動試驗完成后自檢過程中發(fā)現(xiàn)后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體的下沿出現(xiàn)不同程度裂紋的故障問題，通過實際的故障復(fù)現(xiàn)進行了故障分析，然后利用強度仿真等對故障的原因以及后續(xù)可能造成的不良后果進行了模擬驗證。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 姚起杭，姚軍.結(jié)構(gòu)振動疲勞問題的特點與分析方法[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（S1）：56-58.

[2] 姚軍，姚起杭.結(jié)構(gòu)隨機振動響應(yīng)的工程簡化分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2002，19（1）：103-105.

[3] 張云，吳圣陶，曾柯杰，等.某電子設(shè)備隨機振動疲勞壽命仿真分析[J].電子機械工程，2016，32（6）：25-28.

[4] 周凌波.航空典型結(jié)構(gòu)件的隨機振動疲勞壽命分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[5] 楊林，張豐華，姜紅明，等.基于強度仿真的某機載電子設(shè)備機箱減重研究[J].機械工程師，2013（8）：171-173.

[6] 孟凡濤，胡愉愉.基于頻域法的隨機振動載荷下飛機結(jié)構(gòu)疲勞分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012，44（1）：32-36.

[7] 賈光南.某機載電子設(shè)備減重設(shè)計及仿真分析[J].艦船電子對抗，2019，42（3）：95-98.

[8] 陳哲.視點：航空電子機載設(shè)備可靠性[J].中國航班，2021（17）：9-10.

[9] 醋強一，焦超鋒，孟玉慈，等.可靠性仿真分析方法在航空電子設(shè)備中的應(yīng)用[J].機械工程師，2013（7）：128-129.

[10] 劉治虎.機載電子設(shè)備強度試驗標(biāo)準(zhǔn)對比分析[J].機械工程師，2015（5）：152-154.

收稿日期：2022-03-14

作者簡介：杜轍（1994—），男，陜西咸陽人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：機載電子設(shè)備產(chǎn)品故障。