1、2014/1/2 作者：劉欽文李相輝本文介紹了應用有限元分析軟件對某型機載電子設備進行隨機振動仿真分析的方法，不僅通過仿真分析發現了產品的薄弱環節，還對振動仿真分析在實際工程中的應用有一定的借鑒意義。1 引言 飛行器在飛行過程中，因受發動機和氣流的影響，會導致機體發生劇烈的振動。由于氣流對飛行器的影響和發動機工作引起的振動都是沒有規律的，因此機載設備所承受的都是隨機振動。隨機振動往往造成機載設備的疲勞損壞，對于機載電子設備而言，就是容易導致電子設備的焊點脫焊、管腳斷裂，連接松弛脫落等故障，嚴重的會直接導致機毀人亡的災難性后果。為此，在機載電子設備的設計過程中就進行隨機振動仿真分析就顯得尤為重要

2、。2 振動仿真分析過程 本文應用有限元分析軟件對某型機載電子設備進行隨機振動仿真分析，通過分析結果對該機載電子設備的振動薄弱環節有了一個直觀和清晰的認識，從而指導設計人員對產品進行改進，完善產品的設計，增強了產品的可靠性。 2.1 有限元分析模型的創建 有限元分析模型由CAD模型簡化得到，通過CAD接口導入進行分析的設備的CAD模型，對模型進行必要的簡化，使模型滿足有限元分析要求，減少分析時間，簡化后的CAD模型見圖1（隱藏上蓋板后）。圖1 簡化后CAD模型 有限元劃分分別采用了四面體和六面體單元，對機箱安裝在箱體上的部件以及電路板組件進行單獨劃分，其中相對重要的印制線路板組件全部采用六面體劃

3、分單元，以保證計算結果更加準確。最終劃分完成得到的單元數量為119396。對印制板和機箱的連接采用MPC中的RBE2來模擬螺釘連接，螺釘采用梁桿結構近似，創建的MPC數為24個，最后完成的有限元模型如圖2所示（隱藏上下蓋板后）。 2.2 模型驗證 通過模態試驗的方法對有限元初始模型進行驗證。試驗首先對印制線路板模塊、空機箱進行自由模態試驗，然后對電路板進行約束條件下的模態試驗，并將試驗結果與仿真結果進行對比分析，最后通過模型調整使仿真結果與試驗結果接近，以保證仿真分析模型的準確和邊界條件的設置正確。通過模態驗證試驗保證了有限元模型與實際物理設備的一致性。圖2 有限元模型2.2.1 試驗原理 模

4、態試驗采用力錘敲擊法進行試驗，即通過力錘施加一個力在受試產品的一個激勵點上，由布置在受試產品外表面加速度傳感器記錄該傳感器安裝位置的加速度響應信號，將力錘的沖擊信號和加速度傳感器的響應信號采集再經過歸一化調節放大分析后，得到該位置點的頻響函數，然后按事先布置好的均布點依次移動加速度傳感器安裝位置，同樣由力錘在固定激勵點依次施加沖擊信號，最終得到整個受試產品外表面均布各點的頻響函數，再由模態參數識別軟件STAR-Modal，分析得到受試件的模態頻率與振型信息。在測試各點頻響函數時為避免測試時外界因素影響測試結果精度，在每個測試點都進行5次測試，最后取5次結果的平均值。試驗流程如下，原理圖如圖3所

5、示。圖3 力錘敲擊法模態試驗原理 1)對受試件離散均布測試點。 2)力錘給受試件固定點一個沖擊信號，分別采集所有測試點的激勵信號與響應信號。 3)信號采集后，經過歸一化調節放大分析后，得到各點的頻響函數。 4)將各點頻響函數導入模態參數識別軟件STAR-Modal，分析得到受試件的模態頻率與振型信息。 2.2.2 中央處理模塊模型驗證 單獨對中央處理模塊進行模型驗證 1)中央處理模塊自由模態分析和驗證中央處理模塊的自由模態試驗是將中央處理模塊通過四條彈性繩自由懸掛，固定激勵點，并采集模塊上均布的54個測試點的加速度響應信號，得到整個電路板模塊的頻響函數曲線與數據；而為了對比驗證，仿真分析時的邊

6、界條件需要模擬模態試驗，固單獨對中央處理模塊進行無約束條件下的模態分析，分析結果和試驗結果的對比如表1所示。表1 中央處理模塊自由模態對比驗證 2)中央處理模塊安裝狀態模態分析中央處理模塊固定狀態時的模態試驗是將電路板安裝在機箱內。機箱自由懸掛，激勵點設置在電路板上，并固定。通過采集模塊上分布的9個測試點的加速度響應信號，得到電路板模塊的頻響函數曲線與數據，因電路板上的元器件影響安放測試用加速度傳感器，所以僅取到9個測試點數據；仿真分析則是整機在無約束條件下進行模態分析，并從分析結果中截取中央處理模塊的前三階模態，因整機分析中，中央處理模塊是通過MPC與機箱連接，因此可以認為是中央處理模塊安裝

7、狀態下的模態分析，分析結果和試驗結果的對比如表2所示。表2 中央處理模塊安裝狀態模態對比驗證2.2.3 機箱模型驗證單獨對中央處理模塊進行模型驗證，模態試驗是對整個機箱在自由狀態下進行的。利用彈性繩將機箱外殼的四個角點處的緊固環自由懸掛。固定激勵點，整機的6個外殼表面均布了78個測試點，通過采集這些測試點的加速度響應信號，得到整個機箱的頻響函數曲線與數據；仿真分析則是對機箱模塊在無約束條件下進行模態分析，分析結果和試驗結果的對比如表3所示。表3 機箱模塊自由狀態模態對比驗證 2.3 模態分析和隨機振動分析 通過模態試驗校正模型后，保證了有限元模型和實際物理模型的一致性，再進行固定約束下的模態分

8、析和隨機振動分析就可以得到可信的分析結果。 2.3.1 約束狀態下模態分析 模擬實際電子設備的安裝狀態，固定約束設備的安裝位置的3個平動方向的自由度，對整機進行模態分析，得到整機前六階模態和各模塊前三階模態結果，其中模塊的模態從整機模態分析結果中截取。 1)整機模態分析 整機模態分析的前6階頻率結果見表4，其對應的振型結果如圖4所示。表4 整機諧振頻率及位置圖4 整機前六階模態分析結果 2)各模塊前三階的諧振頻率和振型a) 中央處理模塊前三階頻率結果見表5，其對應的振型結果如圖5所示。表5 中央處理模塊諧振頻率及位置圖5 中央處理模塊前三階模態分析結果 b)輸入接口模塊前三階頻率結果見表6，其

9、對應的振型結果如圖6所示。表6 輸入接口模塊諧振頻率及位置圖6 輸入接口模塊前三階模態分析結果2.3.2 隨機振動分析 1)激勵加速度功率譜(PSD)輸入 輸入的PSD見圖7。圖7 隨機振動頻譜圖 2)加速度均方根云圖 隨機振動分析得到各模塊隨機響應的加速度均方根云圖見圖8，位移均方根云圖見圖9。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PSD響應 a)中央處理模塊約束點PSD響應如圖10所示，因中央處理模塊的約束點上下對稱，這里僅給出上面4個約束點的PSD響應圖。圖10 中央處理模塊約束點PSD響應曲線 b)輸入接口模塊約束點PSD響應如圖11所示，與中央處理模塊相同

10、，輸入接口模塊的約束點上下對稱，這里僅給出上面2個約束點的PSD響應圖。圖11 輸入接口模塊約束點PSD響應曲線2.4振動分析結論 通過振動仿真分析，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的PSD響應圖。從加速度、位移均方根云圖中可以發現整機及模塊最大響應量值和位置如表7所示。 由表7可知，在隨機振動影響下，中央處理模塊中部和輸入接口模塊側邊的振動加速度量值較大，是模塊的薄弱環節，可以指導設計更改器件布局或修改結構設計來降低模塊的振動加速度量值，從而提高結構強度，降低故障率。表7 隨機振動分析結果及說明5 總結 機載電子設備因工作環境條件十分惡劣，長期受到強振動的影響，為保證機載電子設備具有較高的可靠性，因此在設計時需要對設備的振動承受能力進行分析，在仿真技術出現以前，都是需要通過大量的環境試驗來檢驗設備的耐振動的能力，但環境試驗花費巨大，且試驗周期長，還只能在產品樣機生產出來以后才能進行，因此經常導致