某机载电子吊舱抗振动设计

庞利娥 刘继鹏 吕 洋

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

某机载电子吊舱在实际工作过程中经常会受到载机发动机机械振动、喷气噪声、吊舱外部气流扰动、飞机的飞行姿态以及起飞、着陆、滑行等因素产生的振动和冲击[1]。这些振动和冲击的机械环境对电子设备造成的危害主要有以下两种:其一，结构和工艺性破坏，如结构件的疲劳、断裂、磨损，连接件的松动、分离等;其二，功能和性能性破坏，包括工作失灵、性能降低及超出容差范围等[2]。

如果电子设备自身的抗振动、抗冲击能力差，在使用过程中就会因上述振动、冲击作用而产生故障，从而影响整个飞机的作战性能。为了保障设备的可靠性，使其适应飞机的各种振动、冲击环境，必须对其进行抗振动设计[1]。

2 设计与分析

某机载电子吊舱由发射及控制系统、环控系统、天线、舱体、前后向天线支架和天线罩等组成。拆掉天线罩和舱体顶板，某机载电子吊舱结构示意图见图1。

图1 拆掉天线罩和舱体顶板，某机载电子吊舱结构示意图

某机载电子吊舱总重量在37kg，外挂在飞机的右机翼上。该吊舱随机振动频率范围10 Hz～500 Hz，总均方根加速度39.8 m/s2;冲击波形为半正弦波，持续时间11ms，峰值加速度 150 m/s2。为了确保电子设备在这样的环境条件下正常工作，进行抗振动、抗冲击设计是非常必要的。

常用的抗振动设计主要采取如下两个措施[3]:

a.加固设计。对电子设备结构上的薄弱环节进行加固，提高设备的固有频率，保证电子设备的正常工作。

b.采用隔振缓冲系统。对电子设备进行隔振缓冲设计，使外部激励通过隔振缓冲系统减弱后，传递给设备的实际作用力小于设备的许用值。

对于与天线指向精度有关的部分，如天线等不能采用隔振器或减振器进行隔振缓冲。在进行某机载电子吊舱结构设计时，因空间限制，前向天线支架直接固定在发射及控制系统的冷板上，环控系统的进风口与舱体间采用刚性连接。为此，发射及控制系统和环控系统均不能采用隔振器或减振器进行隔振缓冲。为了使某机载电子吊舱适应飞机的各种振动、冲击环境，必须提高其自身的抗振动耐冲击能力。

根据吊舱的形状、重量及吊舱的工作环境，从舱体的结构刚性化设计和对分系统进行加固设计两个方面考虑。

2.1 舱体的结构刚性化设计

舱体的刚性化设计就是为了提高舱体的结构刚度。舱体由舱体骨架及侧板等组成。舱体结构示意图见图2。

图2 舱体结构示意图

舱体骨架是承受主要载荷的结构件，各分系统通过法兰、支架与舱体骨架相连，所以舱体骨架结构刚度的好坏直接决定电子设备的抗振性能，为此需对其进行动力学特性分析。求解机械系统动力学响应最实用的方法为有限元分析法(FEM)。

2.1.1 舱体骨架的三维模型

舱体骨架的三维模型(实体造型Solidedge)见图3。

图3 舱体骨架的三维模型

2.1.2 有限元模型单元的选择

有限元模型单元选择壳单元。主要原因如下:

a.由于节点的六个自由度被约束，且壳体在厚度远小于长度等尺寸的情况下，实体单元往往只能化出一层，这样会造成用实体单元划分的结构过刚，做出的模态要比实际高很多。

b.壳单元的厚度可优化。壳单元的厚度更改后有限元模型不用重新划分，这对优化设计至关重要。

c.壳单元网格质量要远远高于实体单元质量。从图3中可以看到，壳单元划分网格无论是宽高比、翘曲、歪斜、雅克比比值、雅克比零点还是2D最大/最小角比值都远远高于实体单元。

d.壳单元的网格划分是可控的，利用有限元分析软件的模型校正工具，使得各个壳单元之间的连接处硬线相互关联，网格密度可调，这在分析高阶模态时是非常重要的。

2.1.3 螺钉连接模拟

整个舱体骨架由螺钉连接，螺钉单元在有限元模型中选择CROD单元。

2.1.4 分析结果

10 Hz～500 Hz频段的几个典型舱体骨架固有模态低阶振型见图4。

图4 舱体骨架固有模态低阶振型

对该舱体骨架有限元模型进行随机振动分析。在150Hz频点时，承受载荷的舱体骨架支撑梁两端应力最大。舱体骨架最大应力出现位置见图5。

图5 舱体骨架最大应力出现位置

综上所述，利用动力学分析手段对该舱体骨架进行了力学分析，找到了该舱体骨架的薄弱点，设计时在支撑梁与端框间铆接斜向加强筋，保证某机载吊舱顺利通过振动、冲击试验。

2.2 分系统进行加固设计

对分系统进行加固设计的目的是为了提高分系统中薄弱环节的抗振动、抗冲击能力，确保各分系统在经过舱体传递过来的振动、冲击环境中正常工作。

如果分系统自身的抗振动、耐冲击能力较差，振动和冲击可能使其出现五种故障状态:结构件损坏、紧固件断裂、脱落或松动、元器件损坏、连接器脱落和线缆损坏。通过对影响分系统抗振动耐冲击能力的因素进行全面系统的观察和分析，找出其因果关系，因果图见图6。

图6 因果图

设计时，采用抗振动技术避免图6所示故障的出现。

2.2.1 为避免结构件损坏采用的抗振动技术

A.发射及控制系统与环控系统进行一体化设计。冷板既是环控系统的换热器，又是发射及控制系统各功能模块的安装板，故冷板设计必须综合考虑刚度、强度要求和热设计要求。为满足刚度、强度要求，导热用的散热齿直接设计为冷板加强筋。

B.通过合理布局和采取小型化技术，提高设备抗振动和耐冲击能力。举例如下:

图7 控制模块结构示意图

图7为控制模块结构示意图。从图7可看出:功分器与故障检测电路间、开关放大组件与点频源和隔离器间的电气接口是通过插头和插座直接相连，减少中间连接环节。

C.设计过渡圆角减小承力件根部的应力集中。悬臂梁式结构刚性较差，应避免使用[2]。若必须采用悬臂梁式结构，应采取相应措施，璧如设计加强筋。

图8为前向天线安装结构示意图。从图8可看出:天线支架固定端设计有加强筋，加强筋根部设计过渡圆角。

图8 前向天线安装结构示意图

D.严格按工艺流程进行加工与装配。。

2.2.2 为避免紧固件断裂、脱落或松动采用的抗振动技术

A.结构设计时，尽量使紧固件布局合理，紧固件的强度等级、数量、规格满足设计要求，以免紧固件在振动和冲击环境下断裂。

B.在铝合金等低强度工程材料上嵌入高强度、耐磨损的钢丝螺套，防止由于振动和冲击引起螺钉松动及提高螺钉连接时的连接强度。

C.若零件上自带螺纹，连接时尽量选用头部带保险孔的圆柱头螺钉，以便打保险丝进行防松。

涡轮冷却器、电动活门和管路组件2间的连接螺钉选用头部带保险孔的圆柱头螺钉(HB1-203-95)，螺钉拧紧后打保险进行了防松。涡轮冷却器、电动活门和管路组件2间的连接见图9。

图9 涡轮冷却器、电动活门和管路组件2间的连接

D.零件上自带螺纹，且必须使用沉头螺钉进行固定时，安装后不拆卸的可带环氧胶或导电胶装配，需要拆卸的安装时在螺钉上涂少量的螺纹锁固胶。

E.零件上未带螺纹(璧如薄壁)，且必须用螺母连接时，不常拆卸或安装的选托板自锁螺母;需经常拆卸或安装的，用六角自锁螺母。

2.2.3 为避免元器件损坏采用的抗振动技术

A.按环境条件要求，选用耐振动和抗冲击的电子元器件。

B.在安装元器件之前，最好知道它的耐振动和抗冲击性能，安装时应选择最佳的方向，按有关规范规定的安装方法进行元器件的固定和安装。

C.把线缆和导管使用支架和缆带固定在盒体或底板上，以免线缆和导管在振动和冲击环境下产生的作用力使元器件焊点失效。

D.减短元器件的引线或管脚进行焊接，以提高其刚度。

E.印制板电路尽量采用表面贴装元器件。不能表面贴装的元器件尽可能卧装，质量小于5g的元器件可用导热硅胶固定，质量大于5g或引线直径小于0.3mm的元器件，不允许仅靠引线支撑，必须用辅助的固定夹固定[4]。

F.采用新型高分子轻质材料(璧如硅橡胶)封装薄弱元器件[2]，对在振动和冲击环境下易损坏元器件进行保护。

G.印制板设计要有一定的刚度，避免印制板的柔性引起焊点失效。

2.2.4 为防止连接器脱落采用的抗振动技术

A.选用带保险孔的电缆插头，以便打保险丝进行防松。

B.选用带锁紧装置连接器，防止在振动和冲击环境下自行脱出。

2.2.5 为防止线缆损坏采用的抗振动技术A.将导线编扎在一起，并用线夹做分段固定。B.在较长的电缆中间设置电缆固定夹。

C.使用防波套，防止在振动和冲击环境下线缆的磨损。

通过采取以上抗振动技术，保证某机载电子吊舱在振动和冲击环境下能够正常工作。

3 结束语

某机载电子吊舱在按照上述设计思路完成设计、加工后，顺利通过各项振动、冲击试验。上机试飞也获得成功。由此可见，在某机载电子吊舱结构设计中，采用上述抗振动设计方法可以使某机载电子吊舱具有很好的抗振动、抗冲击能力，确保某机载电子吊舱在机载机械环境条件下正常工作。本文介绍的设计方法和采取的措施可用于其它机载产品设计中。

[1]李玉峰，秦志刚.某机载电子设备的抗振设计[J].电子机械工程，2007，(3):3 ～6.

[2]王茂.机载机柜的隔振设计[J].电讯技术，2007，(2):194 ～197.

[3]张亚峰.车载电子设备的抗振设计[J].电子机械工程，2003，(2):6 －8.

[4]生建友.机载电子设备的防振动抗冲击设计[J].电子机械工程，1999，(2):45 －47.