随机振动仿真分析在机载电子设备中的应用

1、2014/1/2 作者：刘钦文李相辉本文介绍了应用有限元分析软件对某型机载电子设备进行随机振动仿真分析的方法，不仅通过仿真分析发现了产品的薄弱环节，还对振动仿真分析在实际工程中的应用有一定的借鉴意义。1 引言 飞行器在飞行过程中，因受发动机和气流的影响，会导致机体发生剧烈的振动。由于气流对飞行器的影响和发动机工作引起的振动都是没有规律的，因此机载设备所承受的都是随机振动。随机振动往往造成机载设备的疲劳损坏，对于机载电子设备而言，就是容易导致电子设备的焊点脱焊、管脚断裂，连接松弛脱落等故障，严重的会直接导致机毁人亡的灾难性后果。为此，在机载电子设备的设计过程中就进行随机振动仿真分析就显得尤为重要

2、。2 振动仿真分析过程 本文应用有限元分析软件对某型机载电子设备进行随机振动仿真分析，通过分析结果对该机载电子设备的振动薄弱环节有了一个直观和清晰的认识，从而指导设计人员对产品进行改进，完善产品的设计，增强了产品的可靠性。 2.1 有限元分析模型的创建 有限元分析模型由CAD模型简化得到，通过CAD接口导入进行分析的设备的CAD模型，对模型进行必要的简化，使模型满足有限元分析要求，减少分析时间，简化后的CAD模型见图1（隐藏上盖板后）。图1 简化后CAD模型 有限元划分分别采用了四面体和六面体单元，对机箱安装在箱体上的部件以及电路板组件进行单独划分，其中相对重要的印制线路板组件全部采用六面体划

3、分单元，以保证计算结果更加准确。最终划分完成得到的单元数量为119396。对印制板和机箱的连接采用MPC中的RBE2来模拟螺钉连接，螺钉采用梁杆结构近似，创建的MPC数为24个，最后完成的有限元模型如图2所示（隐藏上下盖板后）。 2.2 模型验证 通过模态试验的方法对有限元初始模型进行验证。试验首先对印制线路板模块、空机箱进行自由模态试验，然后对电路板进行约束条件下的模态试验，并将试验结果与仿真结果进行对比分析，最后通过模型调整使仿真结果与试验结果接近，以保证仿真分析模型的准确和边界条件的设置正确。通过模态验证试验保证了有限元模型与实际物理设备的一致性。图2 有限元模型2.2.1 试验原理 模

4、态试验采用力锤敲击法进行试验，即通过力锤施加一个力在受试产品的一个激励点上，由布置在受试产品外表面加速度传感器记录该传感器安装位置的加速度响应信号，将力锤的冲击信号和加速度传感器的响应信号采集再经过归一化调节放大分析后，得到该位置点的频响函数，然后按事先布置好的均布点依次移动加速度传感器安装位置，同样由力锤在固定激励点依次施加冲击信号，最终得到整个受试产品外表面均布各点的频响函数，再由模态参数识别软件STAR-Modal，分析得到受试件的模态频率与振型信息。在测试各点频响函数时为避免测试时外界因素影响测试结果精度，在每个测试点都进行5次测试，最后取5次结果的平均值。试验流程如下，原理图如图3所

5、示。图3 力锤敲击法模态试验原理 1)对受试件离散均布测试点。 2)力锤给受试件固定点一个冲击信号，分别采集所有测试点的激励信号与响应信号。 3)信号采集后，经过归一化调节放大分析后，得到各点的频响函数。 4)将各点频响函数导入模态参数识别软件STAR-Modal，分析得到受试件的模态频率与振型信息。 2.2.2 中央处理模块模型验证 单独对中央处理模块进行模型验证 1)中央处理模块自由模态分析和验证中央处理模块的自由模态试验是将中央处理模块通过四条弹性绳自由悬挂，固定激励点，并采集模块上均布的54个测试点的加速度响应信号，得到整个电路板模块的频响函数曲线与数据；而为了对比验证，仿真分析时的边

6、界条件需要模拟模态试验，固单独对中央处理模块进行无约束条件下的模态分析，分析结果和试验结果的对比如表1所示。表1 中央处理模块自由模态对比验证 2)中央处理模块安装状态模态分析中央处理模块固定状态时的模态试验是将电路板安装在机箱内。机箱自由悬挂，激励点设置在电路板上，并固定。通过采集模块上分布的9个测试点的加速度响应信号，得到电路板模块的频响函数曲线与数据，因电路板上的元器件影响安放测试用加速度传感器，所以仅取到9个测试点数据；仿真分析则是整机在无约束条件下进行模态分析，并从分析结果中截取中央处理模块的前三阶模态，因整机分析中，中央处理模块是通过MPC与机箱连接，因此可以认为是中央处理模块安装

7、状态下的模态分析，分析结果和试验结果的对比如表2所示。表2 中央处理模块安装状态模态对比验证2.2.3 机箱模型验证单独对中央处理模块进行模型验证，模态试验是对整个机箱在自由状态下进行的。利用弹性绳将机箱外壳的四个角点处的紧固环自由悬挂。固定激励点，整机的6个外壳表面均布了78个测试点，通过采集这些测试点的加速度响应信号，得到整个机箱的频响函数曲线与数据；仿真分析则是对机箱模块在无约束条件下进行模态分析，分析结果和试验结果的对比如表3所示。表3 机箱模块自由状态模态对比验证 2.3 模态分析和随机振动分析 通过模态试验校正模型后，保证了有限元模型和实际物理模型的一致性，再进行固定约束下的模态分

8、析和随机振动分析就可以得到可信的分析结果。 2.3.1 约束状态下模态分析 模拟实际电子设备的安装状态，固定约束设备的安装位置的3个平动方向的自由度，对整机进行模态分析，得到整机前六阶模态和各模块前三阶模态结果，其中模块的模态从整机模态分析结果中截取。 1)整机模态分析 整机模态分析的前6阶频率结果见表4，其对应的振型结果如图4所示。表4 整机谐振频率及位置图4 整机前六阶模态分析结果 2)各模块前三阶的谐振频率和振型a) 中央处理模块前三阶频率结果见表5，其对应的振型结果如图5所示。表5 中央处理模块谐振频率及位置图5 中央处理模块前三阶模态分析结果 b)输入接口模块前三阶频率结果见表6，其

9、对应的振型结果如图6所示。表6 输入接口模块谐振频率及位置图6 输入接口模块前三阶模态分析结果2.3.2 随机振动分析 1)激励加速度功率谱(PSD)输入 输入的PSD见图7。图7 随机振动频谱图 2)加速度均方根云图 随机振动分析得到各模块随机响应的加速度均方根云图见图8，位移均方根云图见图9。图8 各模块加速度均方根云图图9 各模块位移均方根云图 3)约束点PSD响应 a)中央处理模块约束点PSD响应如图10所示，因中央处理模块的约束点上下对称，这里仅给出上面4个约束点的PSD响应图。图10 中央处理模块约束点PSD响应曲线 b)输入接口模块约束点PSD响应如图11所示，与中央处理模块相同

10、，输入接口模块的约束点上下对称，这里仅给出上面2个约束点的PSD响应图。图11 输入接口模块约束点PSD响应曲线2.4振动分析结论 通过振动仿真分析，得到各模块的加速度均方根云图、位移均方根云图和约束点的PSD响应图。从加速度、位移均方根云图中可以发现整机及模块最大响应量值和位置如表7所示。 由表7可知，在随机振动影响下，中央处理模块中部和输入接口模块侧边的振动加速度量值较大，是模块的薄弱环节，可以指导设计更改器件布局或修改结构设计来降低模块的振动加速度量值，从而提高结构强度，降低故障率。表7 随机振动分析结果及说明5 总结 机载电子设备因工作环境条件十分恶劣，长期受到强振动的影响，为保证机载电子设备具有较高的可靠性，因此在设计时需要对设备的振动承受能力进行分析，在仿真技术出现以前，都是需要通过大量的环境试验来检验设备的耐振动的能力，但环境试验花费巨大，且试验周期长，还只能在产品样机生产出来以后才能进行，因此经常导致