隨機(jī)振動(dòng)仿真分析在機(jī)載電子設(shè)備中的應(yīng)用

1、2014/1/2作者：劉欽文李相輝本文介紹了應(yīng)用有限無(wú)分析軟件對(duì)某型機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析的方法，不僅通過仿真分析發(fā) 現(xiàn)了產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，還對(duì)振動(dòng)仿真分析在實(shí)際工程中的應(yīng)用有一定的借鑒意義。1引言飛行器在飛行過程中，因受發(fā)動(dòng)機(jī)和氣流的影響，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生劇烈的振 動(dòng)。由于氣流對(duì)飛行器的影響和發(fā)動(dòng)機(jī)工作引起的振動(dòng)都是沒有規(guī)律的，因此機(jī) 載設(shè)備所承受的都是隨機(jī)振動(dòng)。隨機(jī)振動(dòng)往往造成機(jī)載設(shè)備的疲勞損壞，對(duì)于機(jī) 載電子設(shè)備而言，就是容易導(dǎo)致電子設(shè)備的焊點(diǎn)脫焊、管腳斷裂，連接松弛脫落 等故障，嚴(yán)重的會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)毀人亡的災(zāi)難性后果。為此，在機(jī)載電子設(shè)備的設(shè) 計(jì)過程中就進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析就顯得尤

2、為重要。2振動(dòng)仿真分析過程本文應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)某型機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，通過 分析結(jié)果對(duì)該機(jī)載電子設(shè)備的振動(dòng)薄弱環(huán)節(jié)有了一個(gè)直觀和清晰的認(rèn)識(shí)，從而指 導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了產(chǎn)品的可靠性。2.1有限元分析模型的創(chuàng)有限元分析模型由CAD模型簡(jiǎn)化得到，通過CAD接口導(dǎo)入進(jìn)行分析的設(shè)備 的CAD模型，對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，使模型滿足有限元分析要求，減少分析 時(shí)間，簡(jiǎn)化后的CAD模型見圖1 （隱藏上蓋板后）。圖1簡(jiǎn)化后CAD模型有限元?jiǎng)澐址謩e采用了四面體和六面體單元，對(duì)機(jī)箱安裝在箱體上的部件以 及電路板組件進(jìn)行單獨(dú)劃分，其中相對(duì)重要的印制線路板組件全部采用六面體

3、劃 分單元，以保證計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。最終劃分完成得到的單元數(shù)量為119396。 對(duì)印制板和機(jī)箱的連接采用MPC中的RBE2來模擬螺釘連接，螺釘采用梁桿結(jié) 構(gòu)近似，創(chuàng)建的MPC數(shù)為24個(gè)，最后完成的有限元模型如圖2所示（隱藏上 下蓋板后）。2.2模型驗(yàn)證通過模態(tài)試驗(yàn)的方法對(duì)有限元初始模型進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)首先對(duì)印制線路板模 塊、空機(jī)箱進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，然后對(duì)電路板進(jìn)行約束條件下的模態(tài)試驗(yàn)，并將 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最后通過模型調(diào)整使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接 近，以保證仿真分析模型的準(zhǔn)確和邊界條件的設(shè)置正確。通過模態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)保證 了有限元模型與實(shí)際物理設(shè)備的一致性。圖2有限元模型試驗(yàn)原理模態(tài)試

4、驗(yàn)采用力錘敲擊法進(jìn)行試驗(yàn)，即通過力錘施加一個(gè)力在受試產(chǎn)品的一 個(gè)激勵(lì)點(diǎn)上，由布置在受試產(chǎn)品夕卜表面加速度傳感器記錄該傳感器安裝位置的加 速度響應(yīng)信號(hào)，將力錘的沖擊信號(hào)和加速度傳感器的響應(yīng)信號(hào)采集再經(jīng)過歸一化 調(diào)節(jié)放大分析后，得到該位置點(diǎn)的頻響函數(shù)，然后按事先布置好的均布點(diǎn)依次移 動(dòng)加速度傳感器安裝位置，同樣由力錘在固定激勵(lì)點(diǎn)依次施加沖擊信號(hào)，最終得 到整個(gè)受試產(chǎn)品夕卜表面均布各點(diǎn)的頻響函數(shù)，再由模態(tài)參數(shù)識(shí)別軟件 STAR-Modal，分析得到受試件的模態(tài)頻率與振型信息。在測(cè)試各點(diǎn)頻響函數(shù)時(shí) 為避免測(cè)試時(shí)外界因素影響測(cè)試結(jié)果精度，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都進(jìn)行5次測(cè)試，最后 取5次結(jié)果的平均值。試驗(yàn)流程如下

5、，原理圖如圖3所示。圖3力錘敲擊法模態(tài)試驗(yàn)原理1）對(duì)受試件離散均布測(cè)試點(diǎn)。2）力錘給受試件固定點(diǎn)一個(gè)沖擊信號(hào)，分別采集所有測(cè)試點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)與響 應(yīng)信號(hào)。3）信號(hào)采集后，經(jīng)過歸一化調(diào)節(jié)放大分析后，得到各點(diǎn)的頻響函數(shù)。4）將各點(diǎn)頻響函數(shù)導(dǎo)入模態(tài)參數(shù)識(shí)別軟件STAR-Modal，分析得到受試件的 模態(tài)頻率與振型信息。中央處理模塊模型驗(yàn)證單獨(dú)對(duì)中央處理模塊進(jìn)行模型驗(yàn)證1）中央處理模塊自由模態(tài)分析和驗(yàn)證中央處理模塊的自由模態(tài)試驗(yàn)是將中央處理模塊通過四條彈性繩自由懸掛， 固定激勵(lì)點(diǎn)，并采集模塊上均布的54個(gè)測(cè)試點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)，得到整個(gè)電 路板模塊的頻響函數(shù)曲線與數(shù)據(jù)；而為了對(duì)比驗(yàn)證，仿真分析時(shí)的邊界條

6、件需要 模擬模態(tài)試驗(yàn)，固單獨(dú)對(duì)中央處理模塊進(jìn)行無(wú)約束條件下的模態(tài)分析，分析結(jié)果表1中央處理模塊自由模態(tài)對(duì)比驗(yàn)證頗率但苗仿真19S.52）中央處理模塊安裝狀態(tài)模態(tài)分析中央處理模塊固定狀態(tài)時(shí)的模態(tài)試驗(yàn)是將電路板安裝在機(jī)箱內(nèi)。機(jī)箱自由懸 掛，激勵(lì)點(diǎn)設(shè)置在電路板上，并固定。通過采集模塊上分布的9個(gè)測(cè)試點(diǎn)的加速 度響應(yīng)信號(hào)，得到電路板模塊的頻響函數(shù)曲線與數(shù)據(jù)，因電路板上的元器件影響 安放測(cè)試用加速度傳感器，所以僅取到9個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)；仿真分析則是整機(jī)在無(wú) 約束條件下進(jìn)行模態(tài)分析，并從分析結(jié)果中截取中央處理模塊的前三階模態(tài)，因 整機(jī)分析中，中央處理模塊是通過MPC與機(jī)箱連接，因此可以認(rèn)為是中央處理 模塊安裝

7、狀態(tài)下的模態(tài)分析，分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表2所示。單獨(dú)對(duì)中央處理模塊進(jìn)行模型驗(yàn)證，模態(tài)試驗(yàn)是對(duì)整個(gè)機(jī)箱在自由狀態(tài)下進(jìn) 行的。利用彈性繩將機(jī)箱外殼的四個(gè)角點(diǎn)處的緊固環(huán)自由懸掛。固定激勵(lì)點(diǎn)，整 機(jī)的6個(gè)外殼表面均布了 78個(gè)測(cè)試點(diǎn)通過采集這些測(cè)試點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)， 得到整個(gè)機(jī)箱的頻響函數(shù)曲線與數(shù)據(jù);仿真分析則是對(duì)機(jī)箱模塊在無(wú)約束條件下 進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表3所示。表3機(jī)箱模塊自由狀態(tài)模態(tài)對(duì)比驗(yàn)證制!率仿其2.3模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析通過模態(tài)試驗(yàn)校正模型后，保證了有限元模型和實(shí)際物理模型的一致性，再 進(jìn)行固定約束下的模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析就可以得到可信的分析結(jié)果。約束狀態(tài)

8、下模態(tài)分析模擬實(shí)際電子設(shè)備的安裝狀態(tài)，固定約束設(shè)備的安裝位置的3個(gè)平動(dòng)方向的 自由度，對(duì)整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到整機(jī)前六階模態(tài)和各模塊前三階模態(tài)結(jié)果， 其中模塊的模態(tài)從整機(jī)模態(tài)分析結(jié)果中截取。1）整機(jī)模態(tài)分析整機(jī)模態(tài)分析的前6階頻率結(jié)果見表4，其對(duì)應(yīng)的振型結(jié)果如圖4所示。表4整機(jī)諧振頻率及位置階數(shù)諧振頻率（H局部模態(tài)位置 一階.4?7.47輸入接口組合二階647.26機(jī)箱組合:三階6624輸出接曰組合:四盼項(xiàng)680.35輸入接口組合，- 五階 J709.77,輸出接口組合，一 六琦代795.96?輸入接|盤務(wù)*三階二階五階.UrOf 亨六階圖4整機(jī)前六階模態(tài)分析結(jié)果2）各模塊前三階的諧振頻率和振

9、型a）中央處理模塊前三階頻率結(jié)果見表5，其對(duì)應(yīng)的振型結(jié)果如圖5所示。表5中央處理模塊諧振頻率及位置階數(shù)諧振頻率（此）局部模態(tài)位置整機(jī)分析模態(tài)階數(shù)一階662.4左中右三個(gè)部位對(duì)應(yīng)整機(jī)模態(tài)第2階. 二階709.77左右兩個(gè)部位對(duì)應(yīng)整機(jī)模態(tài)第3階三階79&96r-H：對(duì)應(yīng)整機(jī)模態(tài)笫孕階、切輸入接口模塊前三階頻率結(jié)果見表6，其對(duì)應(yīng)的振型結(jié)果如圖6所示。表6輸入接口模塊諧振頻率及位置階數(shù)諧振頻率（Hz）局部模態(tài)位置整機(jī)分析模態(tài)階數(shù)階497.47側(cè)邊未固定端）對(duì)應(yīng)整機(jī)模態(tài)第階二階68035側(cè)邊和中間兩個(gè)部位對(duì).應(yīng)整機(jī)摸志第4階三階1231.2側(cè)邊前后和中間前后四 個(gè)部位對(duì)阮整機(jī)模態(tài)得耳階$二階二叫圖5中央

10、處理模塊前三階模態(tài)分析結(jié)果7*1lJa.lE E里!g、q-.Tn DUm n_E-t - JM- 5- uaHRm-J5E百6一I is f rqnv IM . JSJIn t山琴1)理國(guó)君廁網(wǎng)凸(PSD)SPSD SH 7。2）加速度均方根云圖隨機(jī)振動(dòng)分析得到各模塊隨機(jī)響應(yīng)的加速度均方根云圖見圖8，位移均方根 云圖見圖9。中央處理模塊加速度均方糧值輸入接口模塊加速度均方圖8各模塊加速度均方根云圖圖9各模塊位移均方根云圖3）約束點(diǎn)PSD響應(yīng)a）中央處理模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)如圖10所示，因中央處理模塊的約束點(diǎn)上下對(duì)稱，這里僅給出上面4個(gè)約束點(diǎn)的PSD響應(yīng)圖。第1約束點(diǎn)第2約束點(diǎn)第3約束點(diǎn)弟4約

11、柬點(diǎn)圖10中央處理模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)曲線5輸入接口模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)如圖11所示，與中央處理模塊相同，輸入接口模塊的約束點(diǎn)上下對(duì)稱，這里僅給出上面2個(gè)約束點(diǎn)的PSD響應(yīng)圖。山1 7 - n巖2打師.總圖11輸入接口模塊約束點(diǎn)PSD響應(yīng)曲線2.4振動(dòng)分析結(jié)論通過振動(dòng)仿真分析，得到各模塊的加速度均方根云圖、位移均方根云圖和約 束點(diǎn)的PSD響應(yīng)圖。從加速度、位移均方根云圖中可以發(fā)現(xiàn)整機(jī)及模塊最大響 應(yīng)量值和位置如表7所示。由表7可知，在隨機(jī)振動(dòng)影響下，中央處理模塊中部和輸入接口模塊側(cè)邊的 振動(dòng)加速度量值較大，是模塊的薄弱環(huán)節(jié)，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)更改器件布局或修改結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)來降低模塊的振動(dòng)加速度量值，從

12、而提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低故障率。表7隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果及說明響應(yīng)整機(jī)模塊最大值位置加速度均 方報(bào)值(g)整機(jī)40.7&Y方向時(shí)輸出接口組會(huì)中 部輸出接口組二39.7輸出接口蛆合中部輸入接口組 合40.7&輸入接口組合左側(cè)位移均方 根值(mm)整機(jī)8.65e-2Y方向時(shí)輸出接口組合中 部輸出接口組 臺(tái)輸擊接口組舍中部輸入接口組輸入接口警騷叫眼5總結(jié)機(jī)載電子設(shè)備因工作環(huán)境條件十分惡劣，長(zhǎng)期受到強(qiáng)振動(dòng)的影響，為保證機(jī) 載電子設(shè)備具有較高的可靠性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)設(shè)備的振動(dòng)承受能力進(jìn)行分 析，在仿真技術(shù)出現(xiàn)以前，都是需要通過大量的環(huán)境試驗(yàn)來檢驗(yàn)設(shè)備的耐振動(dòng)的 能力，但環(huán)境試驗(yàn)花費(fèi)巨大，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)，還只能