某弹载信息采集设备振动分析与减振设计

郭张霞，田家林，裴畅贵

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

0 引言

在导弹技术发展过程中，工程人员常以初次飞行数据为依据，对导弹进行后期的研究与改进工作。同时现代化战争对导弹技术性能要求不断提高，工程人员越来越重视弹上飞行数据的收集与分析工作［1］，在这种综合环境下弹载信息采集设备便应运而生。对于这类弹载电子设备除了要满足产品自身的电气性能指标外，还应具备在各种苛刻的机械动态环境下正常工作的能力［2］。根据大量数据显示，弹载电子设备在实际运用中常受到来自振动、冲击、离心力以及结构产生的摩擦力等机械外力的破坏，其中危害最大的就是振动与冲击［3］。有研究结果表明：由振动和冲击引起的电子系统的失效比例高达 27%［4］。

为了使弹载信息采集设备可以在整个导弹飞行过程中保持正常工作的能力，使其能够克服各种强振动、强冲击的恶劣环境，就必须对其进行抗冲击与减振设计［5-6］。

1 电子设备减振相关理论分析

多自由度振动基本原理与单自由度相同，建立减振系统运动方程如下［7］：

其中，［M］、［C］、［K］分别为减振对象质量、阻尼与刚度矩阵，{y}、{x}分别为基础支撑运动位移与减振对象（信息采集设备）振动响应位移。

令{u}为弹载设备相对基础支撑的位移向量，则式（1）可转化为：

弹载电子设备减振系统初步采用底部安装4个减振器的减振方法［8-10］，同时各减振器安装位置对称分布于两个惯性主轴平面。

同时采用模态叠加法对式（2）进行求解，可得模态矩阵：

其中，ξi为第i阶模态特征向量，定义模态坐标{Q}={q1，q2，q3，q4，q5，q6}，位移向量可表示为：

由式（5）可以看出振动系统已解耦，因而可依据单自由度振动公式计算得出qi，将其代入式（4）则可求得设备各敏感元件或组件振动响应结果。

2 信息采集设备振动特性分析

2.1 信息采集设备结构简化及有限元建模

对设备进行结构简化如图1所示。

图1 设备装配关系简化前后

电源模块包含二次电源电路板、隔离电源、滤波器与二次电源各1个，如图2（a）所示；光纤连接器模块包含4个光纤连接器，如图2（b）所示；探测器电路模块包含1块探测器电路主控板与6块探测器电路板，如图2（c）所示。

2.2 设备固有动态特性分析

设备前10阶模态参数如表1所示。

图2 设备关键部位重点元器件编号说明

表1 设备前10阶模态谐振点

2.3 设备总体振动力学分析

在模态分析阶段提取前2000 Hz以内的共振频率值及相应振型。初步设置结构阻尼为：0.025。分布云图如图3所示。

图3 设备的应力与位移分布云图

仿真结果分析：X向最大应力部位左侧螺钉连接处（27.316 Mpa）最大位移部位光源发生模块右上端（0.102 mm）；Y向最大应力部位右侧螺钉连接处（14.86 Mpa）最大位移部位上盖中间靠近光纤连接器处（0.039 mm）；Z向最大应力部位安装板中间部位（14.07 Mpa）最大位移部位上盖中间靠近光纤连接器处（0.029 mm）。

2.4 电源模块振动特性分析

2.4.1 电源模块振动力学分析

其响应应力与位移分布云图如下页图4所示。

仿真结果分析：X向最大应力部位二次电源左下方（3.22 Mpa）最大位移部位二次电源电路板右下方（0.010mm）；Y向最大应力部位二次电源下方中间（4.01 Mpa）最大位移部位二次电源电路板右上方（0.012 mm)；Z向最大应力部位二次电源下方中间（0.17 Mpa）最大位移部位隔离电源右下端（0.0085 mm）。

由此可以得出电源模块在设备主箱体上的安装部位在Y方向刚度最弱，X方向其次，Z方向最强，可知，受Y方向振动时最容易对设备电源模块造成疲劳破坏。

2.4.2 电源模块随机振动响应曲线分析

完成仿真计算后，对设备电源模块各元器件的振动响应量级进行记录，如表2所示。

图4 设备电源模块的应力与位移分布云图

表2 设备电源模块各元器件响应振动量级参数表

由表2看出，设备电源模块受Y方向振动时的响应量级明显高于其他两个方向，从而可以进一步验证，电源模块在设备主箱体上的安装部位在Y方向上刚度最弱，X方向其次，Z方向最强。受Y向振动时，隔离电源最容易发生振动破坏。

隔离电源其3个方向上的振动响应功率谱曲线如图5所示。

图5 不同方向隔离电源振动功率谱响应曲线

其中，隔离电源受Y方向振动时的响应量级最大，在20 Hz～2000 Hz范围内发生了3次共振，其中最高共振峰所对应的谐振频率为1046.9 Hz；受X方向振动时隔离电源共发生了2次共振，其谐振频率分别为1242 Hz与1815.4 Hz，与设备模态分析结果基本吻合。

经数据处理，设备受Y向振动时，各元器件的振动响应功率谱密度对比曲线如图6所示。

图6 受Y向振动时各元器件响应功率谱密度对比曲线

综上所述，从设备电源模块总体振动响应结果来看，对电源模块影响最为严重的振动方向为Y方向，其次为X方向，最小为Z方向，从电源模块各元器件的响应曲线来看，各元器件受同一方向振动时的响应曲线规律相同。

3 信息采集设备减振方案设计与分析

3.1 减振方案设计

采用的整体减振与局部减振相结合的减振方案。

3.2 探测器电路板模块抗振加固设计

对于印制电路板的抗振加固设计，主要有两种方式：一是增加印制板厚度；二是对印制板背部添加加强筋。

3.2.1 增加电路板的厚度

3种厚度印制板的模态仿真结果如表3、表4所示。

表3 不同印制电路板厚度固有频率对比

表4 不同印制电路板厚度随机振动响应对比

增加印制板厚度可有效提高探测器电路模块的抗振性能。

3.2.2 背部添加加强筋

根据前期振动响应分析结果可以看出，探测器印制电路板上端刚性较弱，底部由于直接与插针相连，刚度一定程度上有所提高，因此，加强筋的安装位置如图7所示。

图7 加强筋安装示意图

随机振动分析结果如表5所示，其加速度与位移响应云图分别如图8、图9所示。

表5 不同印制电路板厚度随机振动响应对比

图8 探测器印制电路板振动加速度响应对比

图9 探测器印制电路板振动位移响应对比

对印制电路板背部添加加强筋可有效提高探测器模块的抗振性能。

综上所述，随着印制板厚度的增加，探测器印制电路板的刚度不断提高；对印制电路板背部添加加强筋同样可以增大探测器印制电路板的刚度。但在印制电路板的厚度过大时，将大大增加探测器集成器件的焊接难度。经综合考虑，采用增加探测器印制板厚度为2 mm和背部添加加强筋相结合的方式进行抗振设计。

3.3 设备整体减振设计

设备减振器装配图如图10所示。

图10 设备外部减振器装配图及安装位置

3.3.1 电源模块减振分析

整体减振后电源模块中4个元器件的振动响应量级如表6所示，同时对比表2，可以计算得出电源模块各元器件的减振效率如表7所示。

表6 电源模块各元器件振动响应量级

表7 电源模块各元器件减振效率

表7中各元器件的减振效率均高于45%，满足设计要求，其中Y向振动的减振效率最高，X向减振效率其次，Z向减振效率最弱。为了更加详细了解各元器件的减振情况，分别受X、Y、Z向振动时各元器件的响应功率谱密度对比曲线分别如下页图11所示。

根据弹载信息采集设备减振后电源模块的振动响应结果，此种减振方案已经满足了减振设计要求。

4 结论

在弹载信息采集设备的振动分析及减振设计过程中取得如下研究成果。

1）对弹载信息采集设备三维模型进行简化及等效建模，显著提高了有限元仿真的计算效率，大大缩短了运算时间。

图11 振动电源模块各元器件响应功率谱密度曲线

2）通过对弹载信息采集设备进行模态分析与随机振动分析，得出设备各关键模块的振动响应规律，即设备各关键模块主要在高频阶段发生共振，这为信息采集设备减振系统设计提供了依据。

3）在弹载信息采集设备减振系统的仿真分析过程中，完成减振器的等效模拟及减振系统振动特性分析，为以后减振系统的有限元仿真提供参考。

［1］董梅.舰船指控设备机械结构设计的几个问题［J］.兵工自动化，2014，33（10）：33-36.

［2］秦丽，陈员娥，李峰.弹载存储设备在侵彻下的失效分析［J］.弹箭与制导学报，2014，34（8）：158-161.

［3］李沅，李凯，王晓飞，等.弹载制导系统抗振动与高过载冲击设计仿真［J］.中北大学学报（自然科学版），2014，35（3）：293-297.

［4］陈燕.弹载直流电源的动态特性研究［D］.成都：电子科技大学，2010.

［5］李朝旭.电子设备的抗振动设计［J］.电子机械工程，2002，18（1）：51-53.

［6］陈荣.斜置隔振系统功率流传递特性研究［D］.济南：山东大学，2010.

［7］李冰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［8］唐炜斌.某型机载电子设备安装架动力学分析与优化设计［D］.成都：电子科技大学，2008.

［9］仇远旺，王国治.基于振动传递分析的舰船辐射噪声特性研究［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2011，25（2）：110-114.

［10］武振鹏.车载电子设备的隔振系统设计［J］.石油仪器，2014，28（3）：15-18.