（机械电子工程专业论文）使用有限元法进行机载雷达抗振动分析.pdf

a b s t r a c t i nt h em o d e mw a r , t h ea b i l i t yo fe l e c t r o n i cc o u n t e r m i n ew i l ld e c i d ew h e t h e rt h e p l a n eg e ta d v a n t a g ei n t h ea i rb a t t l e e v i d e n t l yt h ea b i l i t y d e p e n do nt h e p e r f o r m a n c eo f e l e c t r o n i ce q u i p m e n t b e c a u s et h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n to np l a n ew i l l e n d u r et h er a n d o me x c i t i n ga n dt h ef r e q u e n c yb a n do f e x c i t i n gi sw i d e ，t h ed 、，n a m i c a l p e r f o r m a n c e o fe l e c t r o n i c e q u i p m e n tw i l ld i r e c t l y i n f l u e n c et h er e l i a b i l i t ) o f e l e c t r o n i ce q u i p m e n to np l a n e i nt h ed e v e l o p e dc o u n t r y ，t h ea n a l y s i s o fd y n a m i c a l p e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n to np l a n ew i t hm e t h o do ff e a ( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) h a se n t e r e dm a t u r ep h a s e h o w e v e ri no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c hi nt h ef i e l d i ss t i l la tu n d e r w a yp h a s e i nt h ep a p e r ，t h ed y n a m i c a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h er a d a ro np l a n ew i t h l a r g e - s c a l e df e as o f t w a r ei - d e a si si n t r o d u c e di nd e t a i l r a d a ro np l a n ei sac o m p l i c a t e da s s e m b l y ，a n di ti sc o m p o s e do fal o to fp a n s t h es t r u c t u r ef o r m a t i o no ft h e s ep a r t sa n dt h ew a yo f j o i n i n gb e t w e e nt h e mi s 、a r i e d f o r b u l l i n gas m a l l _ s c a l e df e m ( f i n i t ee l e m e n tm o d e l ) o f t h er a d a rs y s t e mw h i c h c a n s i m u l a t et h ed a n a m i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e mi nt r u t h ，t h ef o l l o w e dw o r k s h a v eb e e nd o n ea n dw i l lb ei n t r o d u c e di nt h ep a p e ri nd e t a i l ： 1 ) t h ef e mo f s o m em a i nc o m p o n e n t sw a sb u i l t 2 ) i d e n t i f i c a t i o no fd y n a m i cp a r a m e t e ro fs t r u c t u r ej o i n t sv i am e a s u r et r a n s f e r f u n c t i o n s 3 ) t h em o d a lp a r a m e t e r sw a si n d i v i d u a l l ye v a l u a t e dw i t ht h em e t h o d so ft h e t m a ( t e s tm o d a la n a l y s i s ) a n df e m a ( f i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i s ) a n dt w o m e t h o d sw a sc o n t r a s t e dt of i xf e mo f p a r t sa n dc o m p o n e n t s 4 ) a n a l y z i n gt h em o d a lp a r a m e t e rt od e c i d ew h i c hp a r a m e t e ro fs t r u c t u r ew i l lb e f i x d ，a n de v a l u a t i n gt h es e n s i t i v i t i e so ft h e s ed e s i g np a r a m e t e r st od e c i d ew h i c h a r e a sa r em o s ts e n s i t i v et oc h a n g e ，a tl a s tt h er e d e s i g nm e t h o dw o u l db ea p p l i e d t oo p t i m i z es t r u c t u r e 5 、t h ea n a l y t i c a lf r e e f r e em o d a lc o m p o n e n t so fe a c hc o m p o n e n to fr a d a rs y s t e m w a sb u i l t 6 ) s y n t h e s i s i n gt h ea n a l y t i c a lf r e e f r e em o d a lc o m p o n e n t so fe a c hc o m p o n e n to f r a d a rs y s t e mb u i l dt h ef e mo ft h ew h o l es y s t e m ，a n dt h em o d a lp a r a m e t e rw a s e v a l u a t e d 7 、t h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fr a d a ru n d e rt h er a n d o me x c i t i n g 、i l lb e b r o u g h ti n t oe f f e c tw i t ht h ea n a l y t i c a lm e t h o do fp s d ( p o w e rs p e c t r u md e n s i d ) t o g e tt h ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s ep s df u n c t i o n o fe v e r ya r e aa n dm o d a l p a r t i c i p a t i o nf a c t o r so fr a d a r 8 ) b ya n a l y z i n gt h er e s u l t t h ei n h e r e n tf r e q u e n c yt h a tn e e dt ob ea d j u s t e dw a s d e c i d e d b yo p t i m i z i n gt h ek e ys t r u c t u r e ，t h e r e s o n a n c ew a sa v o i d e d 9 1 a n a l ) z i n gw h a ti n f l u e n c er a r i n gp a r a n a e t e ro f v i b r a t i o n a li s o l a t i o nw o u l db r i n gt o t h ed y n a m i c a lr e p o n s eo fr a d a r , a n db ys e x i n gp a r a m e t e ro fv i b r a t i o n a li s o l a t i o n t h er e s p o n s ev a l u ew a sd e d u c e dl a r g e l y 10 1e x ，a l u a t i n gt h er e s p o n s es t r e s sa n dt h er e s p o n s ed i s p l a c e m e n tt oi n s u r et h a tr a d a r w i l lw o r ks a f e l ya n d r e l i a b l y k e yw o r d s ：r a d a ro np l a n e ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ；m o d a la n a l y s i s ；m o d a lc o m p o n e n t s ： d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ；r a n d o mv i b r a t i o n ；p s df u n c t i o n u 了科技大学琐一 ：研究生毕业论叟 1 1 选题背景 第一章引言 1 1 1 机载电子设备抗冲振设计在国内外的发展状况 作战飞机是一个典型的动力系统，它在飞行时将受到发动机运转及气流等动 载荷的作用，将作随机振动。达到超音速飞行时，飞机将瞬时大振动，以及飞机 在着路时的冲击，使飞机除振动外还要迭加j o g 左右的恒加速作用。 电子设备受振动作用产生共振时，振动加速度如超过设备的极限加速度，则 将导致设备破坏。如果冲击引起的冲击力超过设备的极限强度，也将导致设备的 损坏。此外设备内的元器件长期受到振动与冲击，会产生疲劳损坏，电参数漂移， 元器件引线或焊点断裂，元器件及引线位移或变形使设备或元器件分布参数发生 变化，引起电回路失谐等。 为了保证电子设备的工作可靠性，国外早在二次大战前就已经开始对机载电 子设备结构和它的工作环境进行认真的调查研究和分析，并提出了相应的机械保 护措施：减弱和消除振源、去谐、去耦、阻尼、小型化、刚性化、隔振与缓冲等。 由于机载电子设备一般都是多自由度系统，早期的研究工作只能建立一些有限自 由度的简单数学模型，通过解动力微分方程得出结构的几阶固有频率和动态响 应。由于电子设备结构的复杂性，这些数学模型很难准确、全面地描述这些结构， 计算出的结果与实际相差较大而且只知道结构的几个自由度的模态参数，因此很 难知道结构真正的薄弱环节。 6 0 年代振动测试和信号分析技术的发展，特别是传递函数分析仪的面世， 由于计算机的飞速发展，使快速傅立叶变换得以实现，出现了模态分析仪器设备。 对电子设备进行振动试验，用模态分析仪对测量数据进行分析处理，建立结构离 散的数学模型，这种模型能较准确地描述实际系统，分析结果也较可靠。但是这 样的技术是建立在已有结构地测试上，如果能在设计阶段就能优化设备结构，使 其满足结构动、静力设计地要求，这将节省大量地时间、会钱，并能为产：诮快速 占领市场，创造商机奠定基础。 近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( i ：e a 。 f i n i t ee l e m e n ta n a y sjs ) 方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了 有效的途径。国外早在上个世纪5 0 年代术、6 0 年代初就投入大量的人力和物力 u 了科技大学琐一 ：研究生毕业论叟 1 1 选题背景 第一章引言 1 1 1 机载电子设备抗冲振设计在国内外的发展状况 作战飞机是一个典型的动力系统，它在飞行时将受到发动机运转及气流等动 载荷的作用，将作随机振动。达到超音速飞行时，飞机将瞬时大振动，以及飞机 在着路时的冲击，使飞机除振动外还要迭加j o g 左右的恒加速作用。 电子设备受振动作用产生共振时，振动加速度如超过设备的极限加速度，则 将导致设备破坏。如果冲击引起的冲击力超过设备的极限强度，也将导致设备的 损坏。此外设备内的元器件长期受到振动与冲击，会产生疲劳损坏，电参数漂移， 元器件引线或焊点断裂，元器件及引线位移或变形使设备或元器件分布参数发生 变化，引起电回路失谐等。 为了保证电子设备的工作可靠性，国外早在二次大战前就已经开始对机载电 子设备结构和它的工作环境进行认真的调查研究和分析，并提出了相应的机械保 护措施：减弱和消除振源、去谐、去耦、阻尼、小型化、刚性化、隔振与缓冲等。 由于机载电子设备一般都是多自由度系统，早期的研究工作只能建立一些有限自 由度的简单数学模型，通过解动力微分方程得出结构的几阶固有频率和动态响 应。由于电子设备结构的复杂性，这些数学模型很难准确、全面地描述这些结构， 计算出的结果与实际相差较大而且只知道结构的几个自由度的模态参数，因此很 难知道结构真正的薄弱环节。 6 0 年代振动测试和信号分析技术的发展，特别是传递函数分析仪的面世， 由于计算机的飞速发展，使快速傅立叶变换得以实现，出现了模态分析仪器设备。 对电子设备进行振动试验，用模态分析仪对测量数据进行分析处理，建立结构离 散的数学模型，这种模型能较准确地描述实际系统，分析结果也较可靠。但是这 样的技术是建立在已有结构地测试上，如果能在设计阶段就能优化设备结构，使 其满足结构动、静力设计地要求，这将节省大量地时间、会钱，并能为产：诮快速 占领市场，创造商机奠定基础。 近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( i ：e a 。 f i n i t ee l e m e n ta n a y sjs ) 方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了 有效的途径。国外早在上个世纪5 0 年代术、6 0 年代初就投入大量的人力和物力 b 了科技大学顿j ：研究生毕业论义 开发具有强大功能的有限元分析程序其中最为著名的是由美国国家宇航局 ( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司丌发的n a s t r a n 有限元分析系统。时至今天，世界上出现了很多f e a 软件，比较有名的除了 n a s t r a n 还有i - d e a s 、a n s y s 等，这些软件已经广泛应用到西方国家的些飞机、 汽车、舰船的制造领域。其中i - d e a s 软件是第个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大 型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近 二十种专业技术协会认证的标准分析软件。海湾战争结束当年，美国评出的最具 影响的十大技术中，c a d 便榜上有名，可见f e a 技术对现代战争的影昀可谓举足 轻重。 据文献检索，由于保密原因，国外有关机载电子设备动力分析与设计的资料 很少，但从其飞机性能上来看，他们无疑对电予设备进行过详细的动态分析和动 力设计。i d e a s 的主要客户美国洛克希德飞机公司就组织了专门的小组进行机 载电子设备抗冲振的性能的研究，根据一些资料显示他们用f e a 方法对电子设备 动态特性分析所获得的结果与试验的结果的相对误差不超过4 ，这也难怪它们 公司生产的f 1 1 7 a 、f 1 6 、f 2 2 等战斗机会在海湾战争中这么风光无限。 国内航空部门的研究所在这个领域内的研究还很落后电子设备的抗冲振设 计主要是依靠经验，在一些关键部位不敢进行优化，所以国内的机载电子设备往 往继承了原苏联的风格一傻大笨粗，而且可靠性很低。在海湾战争、科索沃战争 之后，我国对研究高性能作战飞机的要求越来越高，因而电子设备越来越向高性 能、商参数和高精度方向发展，它们的重量越来越轻结构越来越细柔和精细，从 而使得对它们在工作环境下振动和噪声的控制要求越来越严格。、所以使用f e a 的 方法对机载电子设备进行动态特性分析在我国已经变得非常迫切和必要了，然而 我国在f e a 方面的研究仍处于起步阶段，有大量的闯题有待解决。 1 1 2f e a 方法的精确性、实用性、通用性、广泛性 许多工程分析问题，如固体力学中位移场和应力场分析、振动特性分析、传 热学中的温度场分析都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程( 一般为偏微 分方程) 的问题。这些方程只有在及其简单的情况下才能获得解析解，大部分情 况下只能用数值方法求得其近似解。随着计算机技术的发展，数值解法变得越来 越重要。有限元法就是随着电子计算机的发展而发展起来的一种现代计算方法。 有限元法通用性好，应用广泛，有限元法的基本思想是离散化和分j 插值， 离散化是将一个连续的求解域人为分割为定数量的单元，单元与单元之问依靠 节点连接，即单元之间的作用只能依靠节点传递。分片插值是对每个单元使用插 值函数进行插值运算，由于每个单元形状简单，容易满足边界条件，使用低阶多 b 了科技大学顿j ：研究生毕业论义 开发具有强大功能的有限元分析程序其中最为著名的是由美国国家宇航局 ( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司丌发的n a s t r a n 有限元分析系统。时至今天，世界上出现了很多f e a 软件，比较有名的除了 n a s t r a n 还有i - d e a s 、a n s y s 等，这些软件已经广泛应用到西方国家的些飞机、 汽车、舰船的制造领域。其中i - d e a s 软件是第个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大 型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近 二十种专业技术协会认证的标准分析软件。海湾战争结束当年，美国评出的最具 影响的十大技术中，c a d 便榜上有名，可见f e a 技术对现代战争的影昀可谓举足 轻重。 据文献检索，由于保密原因，国外有关机载电子设备动力分析与设计的资料 很少，但从其飞机性能上来看，他们无疑对电予设备进行过详细的动态分析和动 力设计。i d e a s 的主要客户美国洛克希德飞机公司就组织了专门的小组进行机 载电子设备抗冲振的性能的研究，根据一些资料显示他们用f e a 方法对电子设备 动态特性分析所获得的结果与试验的结果的相对误差不超过4 ，这也难怪它们 公司生产的f 1 1 7 a 、f 1 6 、f 2 2 等战斗机会在海湾战争中这么风光无限。 国内航空部门的研究所在这个领域内的研究还很落后电子设备的抗冲振设 计主要是依靠经验，在一些关键部位不敢进行优化，所以国内的机载电子设备往 往继承了原苏联的风格一傻大笨粗，而且可靠性很低。在海湾战争、科索沃战争 之后，我国对研究高性能作战飞机的要求越来越高，因而电子设备越来越向高性 能、商参数和高精度方向发展，它们的重量越来越轻结构越来越细柔和精细，从 而使得对它们在工作环境下振动和噪声的控制要求越来越严格。、所以使用f e a 的 方法对机载电子设备进行动态特性分析在我国已经变得非常迫切和必要了，然而 我国在f e a 方面的研究仍处于起步阶段，有大量的闯题有待解决。 1 1 2f e a 方法的精确性、实用性、通用性、广泛性 许多工程分析问题，如固体力学中位移场和应力场分析、振动特性分析、传 热学中的温度场分析都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程( 一般为偏微 分方程) 的问题。这些方程只有在及其简单的情况下才能获得解析解，大部分情 况下只能用数值方法求得其近似解。随着计算机技术的发展，数值解法变得越来 越重要。有限元法就是随着电子计算机的发展而发展起来的一种现代计算方法。 有限元法通用性好，应用广泛，有限元法的基本思想是离散化和分j 插值， 离散化是将一个连续的求解域人为分割为定数量的单元，单元与单元之问依靠 节点连接，即单元之间的作用只能依靠节点传递。分片插值是对每个单元使用插 值函数进行插值运算，由于每个单元形状简单，容易满足边界条件，使用低阶多 哇三予科技大学碘- j ：e f 究生毕业论文 项式就可获得整个区域的恰当精度，对于整个求解域而言，当单元尺寸缩小时， 有限元解就能收敛于实际的精确解。有限元法由于是一利，数值分析的方法，因此 可以编程实现其算法，随着计算机软、硬件的发展，有限元法得到了大力的发展 和广泛的应用。和其它分析方法相比，有限元法有以下几个优越性： 1 ) 能够分析复杂的结构 2 1 能够处理复杂的边界条件 3 ) 能够保证规定的工程精度 4 ) 能够处理不同类型的材料，如各向异性和各向同性材料，粘弹性和塑性以及 流体均能求解。 有限元法应用范围很广，除了上述的一些优点外，对于工程中最有普遍意义 的非稳态问题也能求解，甚至还能模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸和应力 波的传播。 1 1 3f e a 方法的发展趋势 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是 从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析， 实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。 2 ) 出求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论 已经远远不能满足设计的要求。 3 1 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期有限元分析软件的研究重 点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。 4 ) 与c a d 软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点。 1 1 4f e a 方法与实际科研项目相结合 信息产业部1 0 所、2 9 所是我国专门负责机载电子设备研制的专业所。由于 结构的复杂性和影响因素的的多样化，目前这两个所在电子设备的设计过程中， 其振动控制仍然借助于经验，结构形式的确定、参数大小的设置、减振参数和作 用点的选择、隔振方式等的采用均依靠经验，缺乏明确的理论指导，因此难以主 动地，有针对地提出改进和保证设备动态性能的方案。特别是在新型设备研制中 更加盲目，以致在结构实物制造之后，很多设备都难通过后期的振动试验。从而 延误整机研制的工期，降低整机的总体性能。 鉴于目前的设计水平，1 0 所与我校多次协商，均认为丌展关于电子设备动 态分析和动力设计的研究是非常必要和迫切的，并且共同申请了四川省学术与科 研带头人基金以资助这个项目，这个项目是以某机载雷达作为研究对象进行丌展 哇三予科技大学碘- j ：e f 究生毕业论文 项式就可获得整个区域的恰当精度，对于整个求解域而言，当单元尺寸缩小时， 有限元解就能收敛于实际的精确解。有限元法由于是一利，数值分析的方法，因此 可以编程实现其算法，随着计算机软、硬件的发展，有限元法得到了大力的发展 和广泛的应用。和其它分析方法相比，有限元法有以下几个优越性： 1 ) 能够分析复杂的结构 2 1 能够处理复杂的边界条件 3 ) 能够保证规定的工程精度 4 ) 能够处理不同类型的材料，如各向异性和各向同性材料，粘弹性和塑性以及 流体均能求解。 有限元法应用范围很广，除了上述的一些优点外，对于工程中最有普遍意义 的非稳态问题也能求解，甚至还能模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸和应力 波的传播。 1 1 3f e a 方法的发展趋势 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是 从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析， 实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。 2 ) 出求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论 已经远远不能满足设计的要求。 3 1 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期有限元分析软件的研究重 点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。 4 ) 与c a d 软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点。 1 1 4f e a 方法与实际科研项目相结合 信息产业部1 0 所、2 9 所是我国专门负责机载电子设备研制的专业所。由于 结构的复杂性和影响因素的的多样化，目前这两个所在电子设备的设计过程中， 其振动控制仍然借助于经验，结构形式的确定、参数大小的设置、减振参数和作 用点的选择、隔振方式等的采用均依靠经验，缺乏明确的理论指导，因此难以主 动地，有针对地提出改进和保证设备动态性能的方案。特别是在新型设备研制中 更加盲目，以致在结构实物制造之后，很多设备都难通过后期的振动试验。从而 延误整机研制的工期，降低整机的总体性能。 鉴于目前的设计水平，1 0 所与我校多次协商，均认为丌展关于电子设备动 态分析和动力设计的研究是非常必要和迫切的，并且共同申请了四川省学术与科 研带头人基金以资助这个项目，这个项目是以某机载雷达作为研究对象进行丌展 哇三予科技大学碘- j ：e f 究生毕业论文 项式就可获得整个区域的恰当精度，对于整个求解域而言，当单元尺寸缩小时， 有限元解就能收敛于实际的精确解。有限元法由于是一利，数值分析的方法，因此 可以编程实现其算法，随着计算机软、硬件的发展，有限元法得到了大力的发展 和广泛的应用。和其它分析方法相比，有限元法有以下几个优越性： 1 ) 能够分析复杂的结构 2 1 能够处理复杂的边界条件 3 ) 能够保证规定的工程精度 4 ) 能够处理不同类型的材料，如各向异性和各向同性材料，粘弹性和塑性以及 流体均能求解。 有限元法应用范围很广，除了上述的一些优点外，对于工程中最有普遍意义 的非稳态问题也能求解，甚至还能模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸和应力 波的传播。 1 1 3f e a 方法的发展趋势 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是 从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析， 实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。 2 ) 出求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论 已经远远不能满足设计的要求。 3 1 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期有限元分析软件的研究重 点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。 4 ) 与c a d 软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点。 1 1 4f e a 方法与实际科研项目相结合 信息产业部1 0 所、2 9 所是我国专门负责机载电子设备研制的专业所。由于 结构的复杂性和影响因素的的多样化，目前这两个所在电子设备的设计过程中， 其振动控制仍然借助于经验，结构形式的确定、参数大小的设置、减振参数和作 用点的选择、隔振方式等的采用均依靠经验，缺乏明确的理论指导，因此难以主 动地，有针对地提出改进和保证设备动态性能的方案。特别是在新型设备研制中 更加盲目，以致在结构实物制造之后，很多设备都难通过后期的振动试验。从而 延误整机研制的工期，降低整机的总体性能。 鉴于目前的设计水平，1 0 所与我校多次协商，均认为丌展关于电子设备动 态分析和动力设计的研究是非常必要和迫切的，并且共同申请了四川省学术与科 研带头人基金以资助这个项目，这个项目是以某机载雷达作为研究对象进行丌展 乜丁科技火学硕- ：研究生毕业论义 的。 1 2 本课题主要内容 1 建模方法的研究 首先从十所的机载雷达着手，利用有限元法建立雷达的有限元模型( 有限元 模型) 并进行动态分析，获取其模态参数。再对雷达实物进行模态试验，辨识出 相应的模态参数。通过理论值与试验值的比较，对理论分析模型及其边界条件进 行修正，最终达到理论值与试验值相符。 2 动念性能的研究 在掌握电子设备的建模方法后，便能准确地建立已有或新制设备的有限元模 型。在正确的模型基础上，利用动态分析软件，对设备动态性能进行广泛和深入 的计算机仿真和研究，包括固有特性分析和响应分析。从中研究结构的形式、尺 寸、边界条件的参数值与作用方式等对设备动态性能的影响规律，以及对各种减 振措施和减振效果进行客观、真实的评价。 3 建立动力设计与优化的方法 通过广泛的动态分析，研究并掌握各种因素对设备的影响规律；并在此基础 上总结并建立一套能构提高设备动态特性的方法。该方法能够指导电子设备的动 力设计，并进行动态特性的优化。 1 3 本课题需要解决的问题 在振动环境中，当零件固有频率与振动频率一致时会引起共振。共振时振幅 逐渐增大，具有很大的破坏性。即使不在共振条件下工作，某些零件也会由于长 期交变力作用而产生疲劳破坏。试验证明：设备由于振动而引起的损坏大大超过 了冲击引起的损坏。例如，在通讯设备中振动损坏率比冲击损坏率大4 倍，经受 5 0 7 0 9 冲击的元器件，在持续振动的环境中，最大也只能承受3 4 9 的振动。 所以本课题主要使用f e a 的方法进行电子设备抗振动的研究，并主要解决以下几 个问题： 1 建立比较完整的关于电子设备动态分析有限元建模的原则和方法； 2 了解和掌握影晌电子设备动态性能的各种因素及其影响规律，提高动态性能 的方法和措施： 3 建立一套实用于电子设备动力设计和优化的设计方法。包括结构形式与参数 的确定、边界条件的设置、隔振方案的选择、减振器类型和参数的确定等； 乜丁科技火学硕- ：研究生毕业论义 的。 1 2 本课题主要内容 1 建模方法的研究 首先从十所的机载雷达着手，利用有限元法建立雷达的有限元模型( 有限元 模型) 并进行动态分析，获取其模态参数。再对雷达实物进行模态试验，辨识出 相应的模态参数。通过理论值与试验值的比较，对理论分析模型及其边界条件进 行修正，最终达到理论值与试验值相符。 2 动念性能的研究 在掌握电子设备的建模方法后，便能准确地建立已有或新制设备的有限元模 型。在正确的模型基础上，利用动态分析软件，对设备动态性能进行广泛和深入 的计算机仿真和研究，包括固有特性分析和响应分析。从中研究结构的形式、尺 寸、边界条件的参数值与作用方式等对设备动态性能的影响规律，以及对各种减 振措施和减振效果进行客观、真实的评价。 3 建立动力设计与优化的方法 通过广泛的动态分析，研究并掌握各种因素对设备的影响规律；并在此基础 上总结并建立一套能构提高设备动态特性的方法。该方法能够指导电子设备的动 力设计，并进行动态特性的优化。 1 3 本课题需要解决的问题 在振动环境中，当零件固有频率与振动频率一致时会引起共振。共振时振幅 逐渐增大，具有很大的破坏性。即使不在共振条件下工作，某些零件也会由于长 期交变力作用而产生疲劳破坏。试验证明：设备由于振动而引起的损坏大大超过 了冲击引起的损坏。例如，在通讯设备中振动损坏率比冲击损坏率大4 倍，经受 5 0 7 0 9 冲击的元器件，在持续振动的环境中，最大也只能承受3 4 9 的振动。 所以本课题主要使用f e a 的方法进行电子设备抗振动的研究，并主要解决以下几 个问题： 1 建立比较完整的关于电子设备动态分析有限元建模的原则和方法； 2 了解和掌握影晌电子设备动态性能的各种因素及其影响规律，提高动态性能 的方法和措施： 3 建立一套实用于电子设备动力设计和优化的设计方法。包括结构形式与参数 的确定、边界条件的设置、隔振方案的选择、减振器类型和参数的确定等； 乜了年 技夫学 唠h ：研究生毕业论文 第二章总体方案 2 1 机载雷达抗振动分析研究方法的选取 本文所讨论的机载电子设备抗振动分析是以机载雷达作为研究对象的，所以 将重点讨论机载雷达的建模方法、动态特性分析、结构优化。 目日u 动态分析方法主要有理论方法和试验方法两种。理论方法应用范围最广 的是有限元法，试验方法则以模态试验法最为有效。这两种方法都可从不同的角 度获取设备模态参数，并有各自特点。理论方法在没有实物的情况下能对设计对 象作全面、深入的分析，从而能在计算机上模拟多种设计方案的动态性z h - t l a 和响应 情况，是动力分析的主要手段，也是为动力设计提供依掘的主要来源。但由于结 构的复杂性和边界条件的多样化，建立完全符合实际的有限元模型并不容易。试 验方法是对实物对象进行的动态分析，能得到真实可靠的结果。但各种设计方案 不可能都制造实物，因此分析范围受到限制。试验方法的结果可对理论分析模型 进行验证，以确保模型的合理性和正确性，而且能修正有限元模型。鉴于这两种 方法的不同特点，本项目拟采用理论与试验相结合的方法。 2 2 振动试验环境 图2 1 雷达系统三维模型 前言中已经介绍了机载雷达的振动是随机振动，在进行飞行试验时，机载设 备将承受较宽频率范围内的激励。进行结构模态分析时，必须研究激励功率谱密 度函数，包括频带范围，谱值的分布状况，这样才能为我们结构优化提供依据。 从机载设备的功率谱密度( p s d ，p o w e rs p e c t r ad e n sj t y ) 函数( 图2 2 ) 中可以 乜了年 技夫学 唠h ：研究生毕业论文 第二章总体方案 2 1 机载雷达抗振动分析研究方法的选取 本文所讨论的机载电子设备抗振动分析是以机载雷达作为研究对象的，所以 将重点讨论机载雷达的建模方法、动态特性分析、结构优化。 目日u 动态分析方法主要有理论方法和试验方法两种。理论方法应用范围最广 的是有限元法，试验方法则以模态试验法最为有效。这两种方法都可从不同的角 度获取设备模态参数，并有各自特点。理论方法在没有实物的情况下能对设计对 象作全面、深入的分析，从而能在计算机上模拟多种设计方案的动态性z h - t l a 和响应 情况，是动力分析的主要手段，也是为动力设计提供依掘的主要来源。但由于结 构的复杂性和边界条件的多样化，建立完全符合实际的有限元模型并不容易。试 验方法是对实物对象进行的动态分析，能得到真实可靠的结果。但各种设计方案 不可能都制造实物，因此分析范围受到限制。试验方法的结果可对理论分析模型 进行验证，以确保模型的合理性和正确性，而且能修正有限元模型。鉴于这两种 方法的不同特点，本项目拟采用理论与试验相结合的方法。 2 2 振动试验环境 图2 1 雷达系统三维模型 前言中已经介绍了机载雷达的振动是随机振动，在进行飞行试验时，机载设 备将承受较宽频率范围内的激励。进行结构模态分析时，必须研究激励功率谱密 度函数，包括频带范围，谱值的分布状况，这样才能为我们结构优化提供依据。 从机载设备的功率谱密度( p s d ，p o w e rs p e c t r ad e n sj t y ) 函数( 图2 2 ) 中可以 看出飞机振动的p s i ) 频带较宽( i o g o h z ) ，并且在f i 、f 2 、f 3 、冈处出观p s d 峰值。山随机振动学原理可以知道，对整个系统而言，应该使其各阶固有频率避 开p s d 较高的频带区域，特别是四处出现峰值的区域。 j ) j 牢讲带度( g 2 h z ) 其中：f i = 2 3 0 2 4 o h z f 2 = 2 f i f 3 = 3 f i f 4 = 4 f i l i = 2 4 l 2 = 2 5 l 3 = 1 5 l 4 = i 5 w ，= o 0 0 2 9 2 h z f , = 1 5 0 h z 2 3 机载雷达抗振动分析的实施过程 机载雷达是一个复杂的装配体，它主要由方位机构、俯仰机构、托盘机构、 天线四个部分组成，它上面还有很多波导、电缆线和一些电路元器件，这些结构 质量轻，也是非支撑件，、对整个系统的动态特性几乎没有影响。因此在建模的时 候均被忽略。 出于整个系统结构非常复杂，如果直接建立有限元模型，很难保证整个系统 的有限元模型的正确性，而且由于单元种类、数量多，模型规模很大，不仅计算 量很大，而且很难保证计算结果的可靠性。因此本课题拟采取子结构法建立系统 的有限元模型，子结构是将复杂的结构从几何上分割为一定数量的相对简单的予 结构，首先对每个子结构进行分析，然后将每个子结构的计算结果组集成整体结 构的有限元模型，这种模型比直接离散结构所得到的模型要简单的多，从l n j 使模 型规模得到控制 具体的实施方案是先建立天线部件、俯仰机构部件、方位机构部件的子结构 6 看出飞机振动的p s i ) 频带较宽( i o g o h z ) ，并且在f i 、f 2 、f 3 、冈处出观p s d 峰值。山随机振动学原理可以知道，对整个系统而言，应该使其各阶固有频率避 开p s d 较高的频带区域，特别是四处出现峰值的区域。 j ) j 牢讲带度( g 2 h z ) 其中：f i = 2 3 0 2 4 o h z f 2 = 2 f i f 3 = 3 f i f 4 = 4 f i l i = 2 4 l 2 = 2 5 l 3 = 1 5 l 4 = i 5 w ，= o 0 0 2 9 2 h zf , = 1 5 0 h z 2 3 机载雷达抗振动分析的实施过程 机载雷达是一个复杂的装配体，它主要由方位机构、俯仰机构、托盘机构、 天线四个部分组成，它上面还有很多波导、电缆线和一些电路元器件，这些结构 质量轻，也是非支撑件，、对整个系统的动态特性几乎没有影响。因此在建模的时 候均被忽略。 出于整个系统结构非常复杂，如果直接建立有限元模型，很难保证整个系统 的有限元模型的正确性，而且由于单元种类、数量多，模型规模很大，不仅计算 量很大，而且很难保证计算结果的可靠性。因此本课题拟采取子结构法建立系统 的有限元模型，子结构是将复杂的结构从几何上分割为一定数量的相对简单的予 结构，首先对每个子结构进行分析，然后将每个子结构的计算结果组集成整体结 构的有限元模型，这种模型比直接离散结构所得到的模型要简单的多，从l n j 使模 型规模得到控制 具体的实施方案是先建立天线部件、俯仰机构部件、方位机构部件的子结构 6 i 乜下中 技人学坝l ：螂f 究生毕业论史 有限元模型进行模态运算，生成各子结构模态模型，并且根据模态参数进行结 构优化分析，重要的零、部件还须结合模态试验进行有限元模型修正。最后将各 子结构有限元模型映射为为雷达装配体的中各子结构相应实例的有限元模型。托 盘机构可以用梁单元离散，因此用手工离散的方法较为简单，可以直接在酋达系 统的有限元模型中进行节点、单元定义，生成托盘机构有限元模型，最后山这个 托盘机构有限元模型将前面定义的几个子结构的有限元模型连接起来，这样雷达 的有限元模型就已经建立了，但是这时雷达系统的有限元模型规模太大，呵以使 用已经建立的模态模型对各个予结构进行模态缩聚，出于采用缩聚后的模念坐标 数量比系统物理坐标少很多，所以所需的计算量和系统资源都将大大减小，模念 综合的具体过程将在以后章节介绍。总体方案流程图可见图2 3 所示。 图2 3 总体方案流程图 b 了科拉人学顿：研究生毕业论义 3 1 模态分析理论 3 1 1 模态分析方法 第三章天线部件模态分析 结构或者系统的模态参数可以通过两个不同的方法获得 1 ) 数学模型的方法 2 ) 试验模态分析 数学模型是将结构离散为成百上千个质量点和弹簧。这过程可以通过两种 方法实现，一是把实际模型简化为一些代表结构惯性的集中质量点和代表结构弹 性的弹簧，二是采用有限元的方法。有限元法中，每个单元可以看作是结构质量 弹簧系统的混合体，这样的建模方法实际上只是简单地将复杂的结构分解成了 许多的质量弹簧系统。分析程序能够计算特征值问题来获取各阶模念参数，然 后软件便可以通过计算来定义结构是怎样响应动态输入的。 试验模态分析主要采用频域辨识的方法，频域辨识就是对结构某一点激励， 同时测得响应点和激励点的时域信号，经a i d 转换和f t t 变换，变成频域信号， 然后将频域数字信号进行计算，求得频域响应函数，再按参数辨识的方法求出模 态参数。 第一章已经介绍了这两种分析方法的优缺点，所以这两种方法应该结合使 用，可以更准确、灵活地分析，优化系统。 3 1 2 有限元模态分析的基本理论 结构动力微分方程为： f m j 田+ f a 卯+ 【k 】 d = 彤( 3 - 1 ) 式中， q ) 为所有节点位移分量组成的列阵， k ，【m ， c 分别为结构的刚度矩阵， 质量矩阵，阻尼矩阵， r 1 是节点载荷列阵。结构固有特性可以由一组模念参数 定量描 述，主要是固有频率和模态振型。由于固有特性与外载无关，且阻尼对结构的固 有频率和振型影响不大，因此可通过结构无阻尼自由振动方程计算固有特性，由 式( 3 一1 ) 可得 b 了科拉人学顿：研究生毕业论义 3 1 模态分析理论 3 1 1 模态分析方法 第三章天线部件模态分析 结构或者系统的模态参数可以通过两个不同的方法获得 1 ) 数学模型的方法 2 ) 试验模态分析 数学模型是将结构离散为成百上千个质量点和弹簧。这过程可以通过两种 方法实现，一是把实际模型简化为一些代表结构惯性的集中质量点和代表结构弹 性的弹簧，二是采用有限元的方法。有限元法中，每个单元可以看作是结构质量 弹簧系统的混合体，这样的建模方法实际上只是简单地将复杂的结构分解成了 许多的质量弹簧系统。分析程序能够计算特征值问题来获取各阶模念参