（机械制造及其自动化专业论文）电子设备动力学分析及其振动控制.pdf

摘要 在通信车中，通信电子机柜是装载通信设备的载体，其结构的机械性能将影 响到通信电讯信号的传输以及通信设备工作的可靠性，因此对电子设备的动力学 分析，及其振动控制的研究满足当前需要的方向。 本论文基于模态分析理论，随机振动理论，对单组合通信机柜和两组合通信 机柜进行了有限元建模，并对他们的动态性能进行了分析与仿真，而由模态分析 得到单组合机柜与两组合机柜的固有频率在激励荷载的范围内，然后对两类别的 通信机柜开展动力学分析仿真，利用有限元软件对两种机柜进行了随机振动分析， 并进行了结果的对比和研究。发现机柜的复杂程度对机柜的固有频率有着重要的 影响，因此，合理分布结构的载荷和有效的结构构成来改变结构的固有频率，就 可以避免电子器件之间、电子器件与机柜之间，组合机柜之间发生共振现象；当 由单组合机柜构成组合机柜时需要考虑优化机柜的结构，如此，随着机柜组合数 的增加，机柜上电子设备受到的加速度均方值，应力均方值会明显变小，可以降 低外界对电子设备动态影响。 川“最后卜对机柜底部隔振器和背部隔振器的设计思路，布置原则，机柜系统的 减振的设计方法等方面进行了探讨。 关键词：车载电子设备模态分析随机振动谱分析振动控制隔振器 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i ce n c l o s u r el o a d sv e h i c l ec o m m u n i c a t i o ne q m p m e mi n t h ee m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o nv e h i c l e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw h i c hw i l la f f e c t s i g n a l t r a n s m i s s i o na n dt e l e c o m m u n i c a t i o ne q m p m e n tr e l i a b i l i t yo fw o r k s ot h e d y n a m i ca n a l y s i so ft h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tc a b i n e ta n dt h er e s e a r c ho ft h ev i b r a t i o n c o n t r o la r et om e e tt h en e e da tp r e s e n t b a s e do nt h em o d a la n a l y s i st h e o r ya n dt h er a l l d o mv i b r a t i o n ( p s d ) t h e o r y ，t h i s p a p e r c r e a t et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fas i n g l ec o m b i n a t i o nc o m m u n i c a t i o nc a b i n d a n do f t w oc o m b i n a t i o nc o m m u n i c a t i o nc a b i n e t s ，m a k ead y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n n a t u r a lf r e q u e n c i e sa r eo b t a i n e db ym o d e la n a l y s i so fas i n g l e c o m b i n a t i o nc a b i n e ta n dt w oc o m b i n a t i o nc a b i n e t s ，w h i c ha r ei nt h er a n g eo fe x c i t a t i o n l o a d h e n c e ，t h ed y n a m i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt ot h et w ot y p e so fc o m m u n i c a t i o n c a b i n e ti st ob ec a r r i e do u t ，t h e n , t h ep a p e ru s et h ef i n i t ee l e m e n ts o f t ：w a r ef o rr a n d o m v i b r a t i o na n a l y s i s ( p s d ) o ft w ot y p e so fe l e c t r o n i cc a b i n e t ，a n dd ot h ec o m p a r i s o na n d s t u d yo ft h e i rr e s u l t s f o u n dt h a t t h ec o m p l e x i t yo ft h ee l e c t r o n i cc a b i n e th a sa n i m p o r t a n t 。1 i m p a c t 、o r 咆t i t u r a l 、雨r e o 蜘e y - 哂f 咀圮1 1 e n c l o s u 嗡, t h e r e f o r e , ；a ：r e a s o n a b l e d i s t r i b u t i o no fs t r u c t u r a ll o a d sa n ds t r u c t u r a l c o m p o s i t i o ne f f e c t i v e l yc h a n g et h e s t r u c t u r eo ft h en a t u r a l f r e q u e n c y ，a n da v o i dr e s o n a n c eo c c u rb e t w e e ne l e c 仃o n i c d e v i c e s ，b e t w e e nt h ec a b i n e t s ，b e t w e e nt h ec o m b i n a t i o nc a b i n e t s w h e nt h ec o m b i n a t i o nc a b i n e t sa r em a d eu pb yt h es i n g l ec o m b i n a t i o nc a b i n e t ，t h e o p t i m i z a t i o no ft h ec a b i n e ts t r u c t u r e si st ob ec o n s i d e r e d s o 、m t ht h ei n c r e a s eo ft h e c o m b i n a t i o no ft h ec a b i n e t ，m e a n s q u a r ev a l u eo ft h ea c c e l e r a t i o na n dt h es t r e s st ot h e c a b i n e to fe l e c t r o n i ce q u i p m e n tw i l lb ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ，a n dc a nr e d u c eo u t s i d e d y n a m i ce f f e c t so f e l e c t r o n i ce q u i p m e n t f i n a l l y ，t h ed e s i g ni d e a so fv i b r a t i o ni s o l a t o r sa tt h eb o t t o mo ft h ec a b i n e ta n db y t h eb a l lo ft h ec a b i n e t ，l a y o u tp r i n c i p l e s ，a n dc a b i n e td a m p i n gs y s t e md e s i g nm e t h o d s 晰l l t b ed i s c t 垮s e da n dr e s e a r c h e d k e y w o r d s ：v e h i c l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tm o d a la n a l y s i sr a n d o mv i b r a t i o n a n a l y s i s ( p s d ) v i b r a t i o nc o n t r o lv i b r a t i o ni s o l a t o r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 装载电子设备的汽车需要在各种路面上行驶，包括越野环境的道路。车载电 子设备以其适应性强，机动性灵活，快捷方便等优点受到市场的青睐和认可。电 子设备在运输，执行任务和使用过程中，将受到各种路况，地形，天气，温度及 其自身的内部疲劳等的影响和变化，不可避免承受各种振动、冲击疲劳、持续动 力载荷作用等机械因素的影响。电子机柜作为电子设备、电子元器件载体，其结 构的机械性能和可靠性将直接影响到电子设备中信号的传输质量及其整个电子系 统的可靠性；为了保证电子设备能在所要求的环境条件和使用情况下工作的可靠 性，包括保证通信质量和技术指标，就必须对安装在车辆上装载电子设备的电子 机柜进行动力学分析和振动控制。 在车载的振动环境中，由于电子设备振动的疲劳效应及共振现象，可能出现 电性能下降，零部件失效，疲劳损伤，甚至破坏的现象。据统计车载电子设备的 失效环境因素中，振动因素约占2 7 的比例，所以对车载电子设备进行动力学分 析，是保证电子设备产品和电子元器件性能和可靠性的重要手段和理论参考，是 进行振动控制的理论前提和参考基础，提高了电子设备产品的质量和品质，是抗 振能力的必要条件，同时也是为了满足客户需求，及其产品质量保证的要求。 振动控制是振动工程领域内的一个重要分支。由于振动与冲击可能对车载中 的电子设备带来许多危害r 从而直接影响到产品性能的稳定性和工作的可靠性， 像车载精密仪器，电子设备等等。因此振动控制也越来越受到人们的关注，也是 振动研究的出发点与归宿，其任务是通过一定的手段使受控对象的振动满足预定 的要求。它已成为车载机械设备及其电子设备动态设计、制造运输和使用中的重 要课题。 1 2 动力仿真分析与振动控制的发展概况 在实际工程结构的设计工作中，动力学设计和分析是必不可少的一部分。几 乎现代的所有工程结构都面临着动力学问题。在航空航天、船舶、汽车、电子等 行业，动力学问题更加突出。在工程中，工程结构除了承受某些静力载荷( 包括自 尊力，设备覃力等等) _ 鎏承霉摹些动i 力攀萄的作用，例粤口由于路面否平摩引起的 车辆的振动，偏心质量的回转机械，具有冲击作用的锻锤和风载荷等。动力载荷 2电子设备动力学分析及其振动控制 ，与静力载荷的根本区别在于构成动力载荷的三要素( 大小，方向，作用位置) 随时间 变化而不断变化着，而且迅速变化着，在动力载荷的作用下，由于结构的惯性特 性，弹性特性和阻尼特性，结构将发生振动，此时结构的各个质点将会产生加速 度，因而分布在各质点的质量就将产生相应的惯性力。根据达朗伯惯性原理，动 力计算问题通过引入假想的惯性力后，可以将动力的平衡问题，转化为静力平衡 问题来处理，不过这里的“平衡”指的瞬间的平衡，对于系统，体系上的载荷和内力 都是时间t 的函数，这是系统动力学分析和静力学分析主要的不同之处。系统结构 动力学的计算目的在于确定系统和结构在动载荷作用下产生的最大的内力，应力， 应变和最大位移，速度，加速度，然后判别和确定系统和机构的可靠性，和是否 超过规范中的允许值。因为过大的应力，应变及其超过系统和机构本身的位移， 速度，加速度，会使系统和结构破坏和工作功能失效。系统，结构在动载荷作用 下的计算一要涉及内外两个方面的因素即结构本身的动力特性和外部载荷的作 用规律。所谓系统结构本身的动力特性是指系统、结构的固有频率，振型和阻尼。 其中阻尼是由材料物理的属性决定，它可以通过试验测得，而系统结构的固有频 率，振型可以通过数学建模得出系统的模型，进而计算得出。结构动力学分析是 c a e 分析的主要内容之_ ，结构动力分析不同于静力分析，常用来确定时变载荷 对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。动力学分析功 能一般包括正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、噪声学分析、随机 响应分析、响应及其冲击谱分析、动力灵敏度分析等。 上世纪计算科学、计算力学、计算数学等科学迅猛发展的基础上，计算机辅 助设计技术( c a d ) 和计算机辅助工程分析技术( c a e ) 随之出现，并进展很快。它们 已经作为先进的设计技术改变了工程设计传统的理论和方法。主要由于电子设备 结构设计已经成为一种复杂的系统匝程，7 由美国贝尔实验室提出f 物理设计，? 为标志 的传统电子设备结构设计观念和方法已经不能满足现代电子技术发展的需要。人 们必须为电子设备结构设计注入新的内容，新的观念，采用现代化的设计理念和 方法，以满足电子设备集成化、模块化、小型化、微型化的发展要求【l 】。而计算机 辅助设计和计算机辅助工程分析技术( c a e ) ，它们作为现代化设计技术的代表，改 变了工程设计传统的理念和方法。特别计算机软硬技术的长足进步极大地提高了 运算效率、缩短了运算周期，使c a e 技术的杰出代表有限元分析系统( f e a ) 已广 泛应用于实际工程【2 】。从上世纪四十年代，h r e n n i k o f f t 3 】和m c h e n 一4 】用线单元网格 求解连续体中的应力开始；在1 9 6 0 年，飞机结构工程师c l o u g h 在他的论文中第 一个采用有限元( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这一术语，并用有限元的思想求解了平面 弹性问题，从此不论是工程技术人员，数学家，力学家也看到了有限元的巨大前 景p 相继从理论生对有限元进行可深入的探讨。搜有限元法建立更为坚实的理论 基础上。应用有限元分析系统解决实际应用和工程问题已取得了很大的成就和社 第1 章绪论 3 会的认可度。现在，众多性能出众、成熟的有限元分析软件系统的出现，例如： a n s y s 、a b a q u s 、m s c n a s t r a n 、c o s m o s m 、a l g o r 等等，有限元的分 析和使用已经覆盖了建筑与结构工程：航空工程、机械工程、船舶工程，国防工 程和核工程等几乎所有的工程领域p j 。 振动理论分析作为动力学分析的重要组成部分，掌握和认识振动理论分析的 研究进展是非常必要的，振动理论分析在上世纪六十年代以前，主要是完善线性 系统振动理论，特别是经典振动理论成功地解决了离散系统的振动分析，及其只 能分析确定激励下的振动。所谓确定激励，是指在任意时刻的激励的数值都是完 全已知的，确定的。上世纪七十年代以后，随着大型电子计算机技术的发展，国 内外振动分析及其振动理论发展迅速，主要表现在简单的离散系统发展到复杂的 连续系统：经典振动理论只能解决对一些形状简单的连续体能够导出偏微分方程， 但对形体稍复杂就没有能力解答了，现在，借助有限元法已经能够处理形状复杂 的连续系统的振动问题，同时使人们对复杂的工程结构进行动态分析和设计；线 性振动理论向非线性振动理论发展：f 经典振动理论只研究线性系统，对实际系统， 常常要在建立模型时进行简化，从而忽略了一些实际因素，主要表现一些不确定 性的各种参数变化，另外，非线性系统在运动性质方面和线性系统有很大的本质 上的不同，例如有的非线性系统不具有“等时性”，非线性系统不符合叠加原理，还 存在独有的分叉和混沌现象；从确定激励发展到随机激励：经典振动理论只能分 析确定激励下的振动r 、而像汽车悬挂系统所受到的路面激励和海上采油平台所受 到的海浪激励，其变化是随机的，不确定性的，无法建立一个确定的函数关系来 预测这种随机或者说不确定性激振力在某一时刻的数值。随机振动理论，就是研 究这方面随机激励下的一个分支：理论建模与实验建模相结合：机械系统中的一 些复杂因素，如系统阻尼、间隙和摩擦、控制环节的时间滞后等难以由理论分析 得到，但可通过实验的方法建立动力学模型，一般作为理论建模补助手段。随着 平稳随机振动理论向非平稳振动随机振动理论研究的发展，以及振动试验分析方 法和水平的提高，振动冲击分析与控制理论也从单一学科理论向着多学科理论综 合研究方向发展【6 j 。 1 3 国内外电子设备结构动力响应发展概况 电子设备在使用过程中要经历恶劣的环境。在振动环境下，电子设备，由于 振动的疲劳效应及共振现象，可能出现电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至 破坏的现象。这就对电子设备的可靠性提出了要求，因此必须提高设备的抗振动 与冲击的能力7 1 。由于振动、冲击对电子设备的工作性能和可靠性有着严重的影响， 国内外都投入了很大的资源，包括人力和经费，来进行电子设备结构动力响应的 4电子设备动力学分析及其振动控制 研究。美国科学家摩尔斯1 8 3 7 年采用了第一个信息记录到纸上的装置- 记录式电 报，和贝尔1 8 7 6 年装成第一部电话机i s 。从此，电子设备改变了世界。现在，随 着不断提升电子设备的性能，扩展电子设各的用途，并根据特定的用途和需要将 电子设备安装到不同的载体上，例如：各种车辆、火车、普通飞机、宇宙飞船、 空间站等。在不同的载体上，电子设备要经受的各种不同严酷程度的振动环境。 这些恶劣环境和状况长期作用下，电子设备的结构会出现疲劳破坏，引起其工作 性能的下降或者完全不能工作，更有甚者会造成电子设备的破坏。为了延长电子 设备在恶劣环境下的使用寿命，一保证电子设备正常工作的工作性能，一很多企业，。 大学，研究所等机构不断采用理论分析、实验分析和先进的计算机仿真技术等手 段进行研究，经过不懈地努力取得了很大的进步。 在1 9 5 6 年，l u n n e y 和c r e d e 根据实际环境的测试数据对电子设备进行了振动 分析和疲劳分析例。在19 7 3 年s t e i n b e r g 在 v i b r a t i o na n a l y s i sf o re l e c t r o n i c e q u i p m e n t - - 书中，对元件级的电子元件到系统级的电子机箱的力学特征进行了系 统的分析研究【l o j ；通过蒋弓谶类器件，一如龟阻密_ 电容器j 兰级管等，近似为集 申参数的弹簧质量系统。一具有中心集中质量的无质量两端固定的梁来进行固有特 征的分析；文献【l1 1 对安装在诸如飞机、火箭、卫星等移动载体上的电子设备所处 的振动和冲击环境进行了分析，同时还对电子设备的振动行为和装配连接细节的 关系进行了理论分析。 一当然一电子设备中大量存在印制板，：而印制板在振动和冲击环境中极易发生 损坏。由于在振动和冲击作用下，电子设备中的印制板产生的变形很难使用表面 接触测量的方法测得，文献【1 2 】采用有限元分析技术对表面贴装组件的动力特性进 行了分析研究。文献 1 3 1 采用有限元分析技术对印制板的动力响应、动应变和动应 力进行了研究。从中可以看出有限元分析技术是分析印制板动力特性和响应的有 力工具。而为了获得有限元分析的比较准确的结果，则需要建立精确的有限元模 型：而且需要根据大量的工作经验用作合理的假设和理论的支撑。 。 计算机仿真分析和工程实践相辅相成，计算机有限元分析大量地减少工程实 践的周期，而工程实践获得的数据又可以作为检验分析结果正确与否的标准，而 随着计算机的性能越来越强大，有限元分析工具和技术进一步的发展和成熟，国 外越来越多的人使用有限元分析工具来对电子设备进行仿真分析。文献【1 4 】对个人 计算机主板建立了有限元模型，并成功地进行了模态分析，冲击响应计算和随机 振动响应计算，从分析得到的结果中作者总结到主板的共振响应和冲击响应取决 于基频。文献【1 5 】分别用有限元分析技术和实验技术对印制板进行了在跌落环境下 得到的动力响应分析计算，获得了一致的结构。 ：。 可以总结到电子技术及其计算机最早在国外产生、发展，同时在电子设备 结构的振动分析方面的工作开展也比较早，研究比较深入，获得了丰富的研究成 第l 章绪论 5 果。在查阅很多文献后，发现国外进行的研究工作主要集中在器件或印制板级的 对象，所获得的成果也在这些方面，而系统或产品对象的研究较为少见，同时文 献资料也有限。国内的电子设备的设计和制造经历了从仿制到自己设计和生产的 过程。由于在国内电子设备发展得比较晚，国内对电子设备结构动力学响应的研 究开展相对比较晚。但是，国内的电予设备结构设计人员在积极吸收国外先进研 究成果的基础上，不断推进和完善我国的电子设备结构动力响应理论【1 6 1 。 文献【1 7 】系统地对电子设备结构的结构设计和动力学理论进行了阐述，并比较 系统地介绍了振动、冲击理论，及其振动、冲击等机械环境对电子设备工作性能 的影响，和减振的有效措施。文献【1 8 】针对某机载电子设备的内部含晶振的模块单 元，通过建立有限元振动模型，采用c a e 仿真方法进行了加速度冲击作用下对象 的响应分析。文献【1 9 】从电子设备的整体布局和整机结构设计的角度对如何提高电 子设备的抗振动和冲击能力进行了研究，对其进行优化分析，并提出了隔振和缓 冲的措施。 综上所诉，国内在电子设备结构动力响应研究方面的工作主要集中于系统， 整体彰。产品的对象，而对零部件的结构细节的考虑还是相对较少，可查阅的文献 资料有限。同时可以看出对于电子设备的动态特性( 固有模态) 的研究很多、同时比 较成熟了。丽对于电子设备的动力响应分析的研究比较少，不是很深入，尤其随 机激励的响应分析的研究文献比较少见。对电子设备结构比较细节的有限元建模 方面相对国外而言还是比较少，国内的研究取得了一定得成果，但是仍然有必要 研究和发展的必要。 。 ：， 。 1 4 国内外电子设备的振动控制的发展概况 由于机械振动与振动冲击，会对电子设备带来许多危害。其实在实际工作环 境中，电子设备受到的机械力有各种形式，如机械振动、冲击、机构运动所产生 的摩擦力等，而对电子设备危害最大的是振动和冲击，他们造成的破坏主要有两 种形式：1 ) 设备在某j 激振频率下产生共振，其振幅越来越大，最后因振动加速 度超过设备加速度而破坏；或者由于冲击所产生的冲击力超过设备的强度极限而 使设备破坏。2 ) 振动加速度或者冲击力引起的应力虽远低于材料在静载荷下的强 度，但长期振动或多次冲击会使设备疲劳破坏【1 7 1 。因此，振动与冲击直接影响产 品性能的稳定性，工作的可靠性。对于电子设备产品影响到其电性能的下降，及 其电子设备和元器件的破坏。现在，电子设备振动与冲击控制的研究越来越受到 人们的关注，它已成为机械电子设备动态设计、制造、运输和使用中的重要的研 究对象。在航空航天领域，及其在通信领域，鉴于对电子设备的高可用度指标的 要求，其振动控制理论的研究已相对深入，隔振缓冲系统的设计也在深入研究中， 6电子设备动力学分析及其振动控制 并在具体应用与实践中取得了很大的发展。如元器件的振动老化筛选试验，航空 阻尼材料的应用，高强度弹性合金材料的研究，以及航空航天设备结构抗振减重 优化设计，通信车主设备隔振缓冲设计等方面均有相关的研究资料和成果，航空 航天电子设备振动冲击试验规范和相关试验标准也比较完备。 在国外，振动控制理论的研究起步比较早，振动分析理论相对完善，振动和 冲击对电子设备的影响和隔振缓冲控制研究也比较早，但有关这方面的文献及资 料在市面比较少，很少公开。在国内，振动控制理论的研究起步比较晚，振动分 析理论相对不是很完善，车载设备的振动冲击分析和控制研究起步比较晚，这方 面的文献和资料也很少公开发表。近年来，国内随着相关研制项目的增加和应用 范围的扩宸，电子设备动力学分析与电子设备的振动控制的研究开始受到普遍重 视，部分专业技术和工程设计人员也己开始针对性地对各种车辆、方舱、机柜、 以及不同的装载设备等的振动特性和控制方法进行了相应的理论分析和试验研 究。同时，电子设备的动力学分析与振动控制进行了相关的理论分析和试验测试。 如车辆底盘在路面谱函数所确定的激励力作用下的建模及其响应参数的研究；有 关不同地理环境下，各种车辆底盘在不同速度下的振动响应参数的研究。这些研 究的成果为电子设备在车载情况下的动力学分析提供了有价值的参考。而对于无 谐振动隔振原理的研究与应用，复合阻尼材料的研究和应用，以及各种新型隔振 器的设计已成为新一代隔振缓冲系统的发展方向，如何在通信车上有限的空间内 实现有效振动控制，以及隔振缓冲系统中，理想隔振与有效缓冲的统一问题，就 是说车架振动的振动控制，电子设备减振缓冲设计根据每个时刻的路面激励情况 和运动状态，设计出使其车载设备处于最佳的减振状态，j 例如一级减振，二级减 振，也成为振动控制研究和隔振缓冲系统优化设计的主要方向。 同时，我国振动工程学界的学术活动十分活跃，取得的成果很多。1 9 8 6 年中 国振动工程学会的正式成立，标志着这门从力学和固体力学中派生出来的振动学 科已远远超出力学的范畴，从而产生出一门既老又新的交叉技术学科振动工 程学，并形成了一个“大振动”体系【卿。振动冲击分析与控制作为其中- - i 1 专业学 科也得到了较为迅速的发展。振动分析理论的不断完善，尤其动力分析理论和模 态分析理论，随着计算机辅助设计的利用和开发，及其虚拟技术的发展和应用， 使之与振动计算方法等都有了很大的提高，并已在实际工程设计中开始得以广泛 的应用。 振动模态分析是一种参数识别的方法。模态分析法是在承认实际结构可以运 用所请矗模态模型”来描述其动态响应的条件卞j 通过实验数据的处理和分析，寻求 其“模态参数”过程。因此，采用振动模态参数作为结构动力特性的描述，以便在广 义坐标下进行结构动力特性分析和动力学二类问题的研究，特别是利用模态参数 与实测频响函数之间的关系建立试验模态分析方法，从而为结构动态分析提供了 第1 章绪论 7 十分有效的途径。而动力有限元分析利用数值解法对真实物理系统( 几何和载荷 工况) 进行模拟，对于简化结构设计模型，了解在研究设备结构的静态和动态特 性，具有重要的意义，同时，对电子设备的动力学分析提供了参数机构化设计和 动力修改技术提供了强有力的支持。 展、更新极为迅速，两者相辅相成， 助。 目前，振动模态分析软件和动力有限元的发 给予振动分析理论和实际工程设计很大的帮 1 5 本文研究的主要内容 随着现代社会的发展，各个行业提高了各自行业产品的质量、性能、可靠性 标准。人们对产品的寿命和可靠性的要求也就越来越高。在通信行业中，由于要 保证通信信号的正常传输和防止通信电子设备的振动破坏和疲劳损害，需要对这 些通信电子设备进行动力学分析及其振动控制的分析。而本课题主要针对通信电 子设备机柜的动力学分析和通信车上减振控制的分析。主要研究的内容在于以下 几个方面： ( 1 ) 认识电子设备，特别是通信车中主设备运行和工作时的振动环境。分析电 子设备结构类型及其典型截面特征，同时对通信电子设备内部的振动，冲击情况， 及其内部所承受激励的情况进行深入的研究。 ( 2 ) 对电子设备动力学分析，包括对电子设备固有特性、电子设备结构强迫运 动、随机振动响应分析理论进行了研究和探讨，同时对电子设备的动力学有限元 仿真进行研究和探讨。包括针对电子设备简化模型进行有限元分析软件a n s y s 动 力学响应分析的验证和分析。 ( 3 ) 讨论电子设备受到的振动和冲击，根据动力学理论构建通信电子设备工作 时的有限元分析模型，推导并得出其振动二般的规律及其特点：主要是研究基础 激励的随机振动谱响应，包括位移谱响应，加速度谱响应。 ( 4 ) 通过对柜式通信电子设备结构特点，建立在车载通信车中主设备机柜的有 限元模型，具体为单组合铁机柜和双组合铁机柜，在公路运输和野战两种工况下， 通过相关软件分析对柜式通信电子设备进行了模态分析，并在模态分析的基础上 进行了随机振动响应谱分析，包括位移响应功率谱分析，加速度响应功率谱分析， 应力响应功率谱分析，并根据仿真结果对两种的机柜结构进行了对比和分析。 ( 5 ) 根据柜式通信设备在通信车中的安装特点，及其柜式通信电子设备振动分 析参考和相关的参数，计算并确定合理的减振器，及其讨论通信电子设备机柜中 隔振器的合理布局措施，从而设计和完成通信电子设备机柜减振缓冲系统。 8 电子设备动力学分析及其振动控制 一_ 一 第2 章电子设备结构和动力环境概述 9 第2 章电子设备结构和动力环境概述 2 1 电子设备的运行和工作的机械环境及其概况 在运输和使用的过程中，电子设备经常受到各类机械因素如机械振动、冲击 等作用，例如在汽车行驶过程中，汽车电子产品、通信车中的通信电子设备使用 的过程中会受到由路面不平度，和内部的动力设备产生的振动所产生的机械力的 影响，是这些电子设备不能正常工作的诱因。电子设备的工作环境，随着用途和 运载工具的不同，往往有很大的悬殊。与振动相关的使用环境2 1 l 如图2 1 。 图2 1 电子设备的振动相关使用环境 因此根据设备在运输和工作过程中将受到各种机械力的作用，按机械力作用 的性质，可以分为3 种类型： ( 1 ) 周期性振动 周期性振动一般包含简谐的周规运动和非简谐的周期运动：它是指机械力的 周期性运动对电子设备产生的机械干扰，在并引起设备在平衡位置附近以一定的 时间周期作往复运动。而产生这一干扰的主要原因：发动机工作产生的强烈振动； 高速旋转物体的质量偏心如电机，风机，油机，泵等产生的振动。其加速度一般 可达到1 5 2 0 9 。 表征周期振动的参数有：振幅( 或位移幅值) 、频率和振动持续时间。振幅也有 用加速度来表示，它们之间的关系为： 1 舻击厂2 彳。或厶= 2 5 0 a i 2 ( 2 - 1 ) 1 0电子设备动力学分析及其振动控制 式中口加速度( m l s 2 ) ，常用重力加速度g 的倍数来表示；f - 振动频率( h z ) ； 以单振幅( 倒m ) 。 “。一j 。奇：、。， i o ” ， 实际环境中的振动往往不是单一频率的振动，而是许多频率振动的叠加，其 振幅大小和振动频率高低，直接取决于激发振动的外界机械力。 为了预测电子设备抵抗周期性振动载荷的能力，一般都会进行正弦扫频振动 试验，其目的研究电子设备的载体：像汽车，通信车，舰船等等可能发生的共振 的频率范围内( o 2 0 0 i - i z ) ，以验证电子设备和电子元器件抵抗加速度载荷一般不会 超过5 9 的能力。 ( 2 ) 非周期性的碰撞和冲击 是指机械力做非周期性的扰动力的作用对电子设备的作用，其特点是作用时 间短暂；设备常因剧烈的碰撞和急剧的冲击，而导致设备速度突然改变而获得很 大的加速度。 扎根据非周期性扰动力作用频繁的程度和强度大小，可以分为碰撞和冲击。 1 ) 碰撞这是指电子设备或电子元件在运输和使用过程中经常遇到的一种 冲击力，例如车辆在很恶劣，坑洼不平道路上的行驶，船舶的抛锚，飞机 的起身和降落等。这种冲击的特点是具有重复性，次数较多，波形一般是 正弦波：在实际环境中，加速度通常不超过4 0 9 。 2 ) 冲击这是指电子设备或电子元件在运输和使用过程中遇到的非经常性 的，非重复性的冲击力，例如电子设备的跌落或碰撞，撞车或紧急刹车， 炸弹的爆炸，舰船的触礁等。试验时一般用半正弦波模拟。其特点是不经 常遇到，次数少，加速度大。例如电子设备在状况好的公路上，像一级公 路，二级公路上，受到的振动加速度不大，但在坑洼道路路面上，受到的 加速会急剧增加。 表征碰撞和冲击的参数有：兮i l , m 州j ：恢i 小 ji 。i j ；，一 冲击加速度：它反映冲击力的大小，在其它条件一定时，加速度越大，冲击 力越大，破坏作用就越大。冲击加速度常用重力加速度g 的倍数表示。 冲击脉冲的持续时间：表征冲击力作用时间的长短。时间越长，冲击能量越 大，造成的影响就越大。冲击脉冲的持续时间的单位为m s 。 波形：表征冲击随时间的变化情况。 碰撞或冲击的次数：体现冲击对设备作用的积累效应。 ( 3 ) 随机振动 这是指电子设备和电子元件在无规则的外力作用下而产生的不确定性振动。 随机振动在数学分析上不能用确定的函数来表示的，而只能用概率和统计的方法 来描述统计规律和统计特性。随机振动主要是外力的随机性引起的。汽车行驶在 的凹凸不平路面时；。l l j 予受到不规则机械力作用使汽车产生随机振动，从而使装 第2 章电子设备结构和动力环境概述 1 1 载的电子设备产生随机振动。大气涡流使得机翼产生随机振动，海浪使得船舶产 生随机振动以及火箭点火时由于燃料燃烧不均匀引起部件的随机振动等等。 电子设备在运载过程中可能受到的振动干扰。不同运载工具上使用的电子设 备所经受的振动环境，和承受的振动加速度是有很大差异的，并且运载工具本身 受到的振动干扰、设备安装处受到的振动干扰以及设备内部受到的振动干扰也是 不同的。 2 2 电子设备结构类型及其典型截面特征 在电子设备中，由工程材料按照合理的连接方式进行连接，并且能安装电子 元器件，及其机械零部件二啦设备成为_ 个整体的基础结构，称为电子设备结构i l ， 电子技术和组装方式的迅速发展和更新，组成电子设备的元件越来越多，体积越 来越小，集成化程度越来越高，使用范围越来越来广泛，设备所处的工作环境越 来越复杂；对电子设备的使用精度，可靠性，稳定性的要求越来越高。所有这些 都对电子设备结构的刚度和强度提出了更高的要求。与机械机构和其它结构相比， 电子设备结构具有其自身独特的特点1 2 2 】。 2 2 1 电子设备结构的基本类型及组成 2 2 1 1 电子设备结构的基本类型及其装配级别 一般电子设备具有五种基本机构类型：机架、机柜、台式机箱、插箱和插件。 其中，机架是用以组合安装电予设备的安装架剖机柜是以门和盖板所覆盖的机架； 台式机箱是以台式设备完整的外壳；插箱是用于在机架组合安装的机箱，插箱是 插入插箱、台式机箱或者直接插入机架、机柜的具有独立面板的单元结构插件。 在组装过程中，根据组装单元的尺寸和复杂程度的不同，将电子设备分成不用的 组装级别。 第一级组装：一般称元件级，它是最低的、不可分割的结构等级。一般指通 用电路元件、分立元件、集成电路组件等。 第二级组装：一般称为插件级，用于组装和互连第一级元器件，如装有元件 的印制板部件和插件。 第三级组装：一般称为底板级。用于安装和互连第二级组装的插件，印制板 部件或插件。 j 。：第四级更高层次的组装：1 - 般称为箱孓柜级。系统级i ，它主要通过电缆及连 接器互连第二、第三级组装，构成独立的有一定用途的仪器和设备。 2 2 i 2 常见电子设备的结构类型 1 2电子设备动力学分析及其振动控制 不同电子设备的用途，本身的工作环境，形状不尽相同，但是总结归纳起来 电子设备的结构形式主要有箱壳机箱和机柜两种形态。 箱壳类机箱：这类机箱通常用于尺寸较小和结构简单的中、小型电子设备， 其外形往往为矩形六面体，形成一个完整的外壳：。它主要有底座、面板和箱壳等 零件所组成，这种箱壳机箱结构的设备把电子元、器件均匀布置在一个机箱或几 个机箱内，使之具有体积小、质量轻、使用方便等优点。箱壳类机箱可分为基本 型、衍生型和拼合型三类。常见的标准型矩形箱壳类机箱如下图2 2 。 移 一 a 立式机箱b 卧式机箱 图2 2 典型标准机箱 机箱的几何形状多为扁平的长方体， ： i 、 包括上、下、左、右盖板及前，后盖板。 一般由机箱框架及盖板组成，其中盖板 毡肴南机箱不用框架，直接由薄板折弯 而成。机箱框架是机箱的承载部分，所有的插件、底板、面板、盖板等都固定在 框架上面，因此其强度、刚度、稳定性对整台设备工作的安全可靠性影响极大。 组合安装由横梁、立柱组成前后围框或整板，然后再与侧梁连接组成机箱框架， 也可以由侧架立柱组成左右围框或整板，然后再与横梁连接组成机箱框架。常见 的机箱结构有钣金结构坝箱、铝型材机箱、屏蔽盒式等多种形式。 机柜类：对结构复杂、尺寸较大的电子设备，为了便于装配、检修和使用， 往往把设备分成独立的结构形式的若干个插箱。安置在机架机柜上，机柜也可以 分为基本型，衍生型和拼合型三类。典型的立式机柜如下图2 3 。 a 普通型b 橱柜堑c 分割型 图2 j 典型立式机柜。 目前，绝大多数的大中型设备均采用立式机柜由于设备的复杂度，使用的 场合、环境和插箱数目的不同，可将整个设备分成数个机柜，而设备的各个插箱 集中地安装在相应的机架机柜上，这样可以使设计集中，便于操作管理，降低制 第2 章电子设备结构和动力环境概述 1 3 造成本。陆地固定式或机动性不大的电子设备，如电子计算机、程序控制设备、 中小型雷达、发射台等常使用这种类型。对空间、舰用及车载雷达等设备，由于 受到空间的限制，不宜采用集中式机柜，可以采用适合安装空间的独立机柜( 机箱) ， 这样便于设备的制造，安装和运输。 无论机架机柜的结构形式如何，它都由机架、门、盖板、插箱、插件、底座、 面板导轨及定位措施、锁紧装置、铰链、电器连接插件等附件所组成。机柜的组 成如下图2 4 ： 机柜 插箱面板 上底座 侧扳 导轨 下底座 插箱 图2 4 典型机柜结构示意图 机柜的几何形状一般为长方体，它一般由底座、机柜框架、盖板及机柜附件 组成。机柜框架是机柜的承载构件，所有的插箱、门、面板等都通过导轨、支架 固定在它上面，因此其刚度对整台设备工作可靠性的影响极大。根据承载酶大小， 框架可以有不同的组成方法。一般至少有一个或两个比较坚固的面作为基础，在 加上几根立柱或横梁，连接成机柜框架。按照机柜承重构件的材料与工艺，可以 把机柜分为：型材机柜，包括钢型材机柜和铝型材机柜：及其钣金式机柜，包括 整板式机柜和弯板立柱机柜。 2 2 2 电子设备机构的典型截面特征 机架、机箱、机柜是安装和保护电子设备内部各种电路单元、元器件及机械 零部件的重要结构，对于消除各种复杂环境对设备的干扰，保证设备安全、稳定、 可靠地工作，提高设备的使用效率、寿命，以及增强设备安装、拆卸，维修方便 等起着非常重要的作用1 2 3 1 。随着科学技术的发展，电子设备的类型越来越多，电 子设备的集成度越来越高，。尤其是电子技术的发展对电子设备结构提出了新的要 1 4 。 一t 。电子设备动力学分析及其振动控制 求，使电子设备结构越来越复杂为了满足设备对可靠性的要求，现代电子设备 结构具有其自身的一些特点。1 ( 1 ) 机架、机箱、机柜的框架广泛采用型材加工，组装而成。框架是电子设备 的主要承重部分，它的强度和刚度对设备的工作性能影响很大。近年来随着电子 工业和材料工业的发展，各种型材已广泛应用于电子设备上。这种电子设备采用 多种截面形状的铝型材和钢型材通过螺钉连接、焊接和粘接等方式在转角处连接 组成机箱机柜的框架。如下图显示了型材的常用截面形状。也有机柜的立柱有钢 板折弯而成的，其结构与钢型材机柜相似，只是立柱由钢板折弯而成的，其截面 一般是开口的。如下图2 5 画出了弯板式机柜框架的一角。 豳一廖 。；图：2 ：罩型材截面形状一 ( 2 ) 机架、机箱、机柜的结构中存在大量的薄板类零件。 机箱、机柜的结构中存在大量的盖板，包括上，下，左，右盖板和前，后面 板，甚至有的机箱直接由薄板折弯而成，如钣金结构机箱就是用薄钢板经过折弯 进行焊接或用螺钉组装而成的，如钣金结构机箱就是用薄钢经过折弯再进行焊接 或用螺钉组装的。机柜中的门、侧盖板、顶盖板等都是薄板类零件，它们与框架 通过焊接和螺钉等组装方式连接在一起j j 构成完整的机架、机柜、机箱。一。 ( 3 ) 机箱、机柜的各个零部件间的连接方式复杂多样。 电子设备结构中存在众多的机械连接：框架与盖板、机箱内的插件与地板、 机柜内的插箱与框架及插箱内的机械连接等。这些连接方式多种多样，归纳起来 主要有三种：螺钉或螺栓连接，这种连接方式由于拆装方便、有利于电子设备结 构的通用化，标准化，系列化，得到了广泛地应用，为了提高连接处的刚性，一 般在采用螺钉连接处加上某种形式的嵌脚或者过渡块；焊接，在电子设备中要求 连接强度高的地方多采用焊接，焊接处的刚度、强度比螺栓连接要好；粘接，目 前正在发展中的一种连接方式，常与销连接联合使用，如：型材的立体接头与框 架的连接用粘接剂粘接后还要用销钉拴入一以强化连接。一一一 电子设备结构由于要满足设备的电性能、设备总重量、可靠性等多方面的要 求，= 其采用的材料、：各零部件的连接方式有各自的特点：r f ￥了解并分析电子设备这 些特点为建立机架，机箱，机柜的计算机仿真模型打下了基础。 岛，+ ； 第2 章电子设备结构和动力环境概述 2 3 通信电子设备动力学特点及其所承受激励的情况 在通信车中，通信电子设备主设备通常是以方舱或者是机柜安装在通信车厢 体内的，一般集成通信车的过程中，会在装载在二类底盘上的车厢和壁板内预埋 铁制联接件，用于安装通信主设备，油机的底部和背部隔振器，空调的项部隔振 器。其中埋铁与车厢，和壁板的通过焊接等方式形成刚性联接。因此在通信车中， 对电子设备的控制主要针对装载通信设备的机柜与埋铁的联接，通过对其减振控 制减少外力引起的通信车的振动，从而达到减少通信电子设备的振动和通过对埋 铁与通信设备的联接的隔振缓冲控制来再次减少电子设备的振动。可以得出在通 信车中，车厢内的通信电子设备b t s ，要受到通信车中发动机产生的振动与噪音， 和提供辅助动力的油机产生的振动和噪音，及其空调工作时，