某机载数据终端随机振动及疲劳分析

第２期（总第２１３期）２０１９年４月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２Ａｐｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－０１４５－０３某机载数据终端随机振动及疲劳分析王松松１，刘　洁２（１．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北　石家庄　０５００８１；２．河北诺亚人力资源开发有限公司，河北　石家庄　０５００３５）摘要：机载数据终端是飞机测控系统的重要组成部分，飞机飞行过程中产生的随机振动是使其结构失效的主要因素。

为了提高机载数据终端的可靠性，基于ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件平台对某机载数据终端进行模态分析、随机振动分析和疲劳计算，获得了机载数据终端在随机振动下的变形云图和应力分布云图，并根据仿真结果对结构进行优化。

经设计改进后的机载数据终端顺利通过振动试验并交付使用，说明了仿真结果的合理性，也为进一步的结构优化和新设计提供了参考。

关键词：机载数据终端；模态分析；随机振动分析；疲劳分析中图分类号：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ收稿日期：２０１８－０７－２４；修订日期：２０１９－０１－２６作者简介：王松松（１９８８－），男，山东阳信人，工程师，硕士，主要从事电子设备的结构设计工作。

０　引言机载数据终端是飞机测控系统中的重要组成部分［１］，在飞机飞行过程中处于复杂的随机振动环境中。

如何保证机载数据终端的刚度、强度及寿命，同时满足系统质量指标的要求，是其结构设计过程中面临的重要问题。

振动试验是模拟机载随机振动的有效办法，然而，单纯依靠振动试验存在周期长、成本高的弊端。

因此，采用有限元仿真和振动试验相结合的方法可大大提高产品的研发效率。

本文综合考虑机载数据终端的结构特点及使用环境，对其进行模型简化，建立了适于软件分析的有限元模型，然后对其进行了含预应力的模态分析和随机振动分析，得到了机载数据终端盒体的变形云图和应力分布云图。

另外，对盒体的应力危险点进行了疲劳计算，得到了其总体损伤比。

１　建立结构分析模型１．１　有限元模型该机载数据终端的组成结构如图１所示。

盒体安装在收发信机上，盒体的前后分别装有前盖板和后盖板，电源板、密码板及终端板分别通过插入轨道的方式插入到盒体相应导轨中，并通过前盖板和后盖板限制其位移。

终端板上发热芯片的热量传递到散热块上，通过风扇将热量带走。

该机载数据终端结构复杂，需对其进行必要的模型简化。

对简化后的模型进行网格划分，得到机载数据终端的有限元模型，如图２所示。

１．２　基本参数和设计依据机载数据终端盒体的材料为铝合金２Ａ１２－Ｔ４，印制板材料为ＦＲ－４，材料的力学性能见表１。

另外，按系统质量指标分配，盒体质量应不超过３０ｇ。

图１　机载数据终端组成结构图２　机载数据终端有限元模型表１　材料的力学性能材料密度（ｋｇ／ｍ３）弹性模量（ＧＰａ）泊松比屈服强度（ＭＰａ）２Ａ１２－Ｔ４　２　７７０　７０　０．３３≥２９５ＦＲ－４　３　０５０（等效值）１１　０．２８　９７ 该机载数据终端承受如图３所示的振动条件，其振动频谱由一个宽带背景叠加一些窄带尖峰组成，振动激励范围为１５Ｈｚ～２　０００Ｈｚ，振动方向为Ｚ向，振动时间为６０ｍｉｎ。

综合考虑该机载数据终端的结构特性及工作环境，对其振动频谱进行包络处理。

图３　机载数据终端随机振动曲线２　仿真分析２．１　含预应力的模态分析结构在弹性阶段时，其自由振动方程为：［Ｍ］｛ｕ··｝＋［Ｃ］｛ｕ·｝＋［Ｋ］｛ｕ｝＝０．（１）其中：［Ｍ］为质量矩阵；［Ｃ］为阻尼系数矩阵；［Ｋ］为刚度矩阵；｛ｕ··｝为加速度列矩阵；｛ｕ·｝为速度列矩阵；｛ｕ｝为位移列矩阵。

由于阻尼对结构固有频率的影响较小，在计算结构的固有频率时，往往不考虑阻尼带来的影响。

对式（１）进行边界条件处理，得到结构的特征值方程为：（［Ｋ］－ω２［Ｍ］）｛Φ｝＝｛０｝．（２）其中：ω为固有频率；｛Φ｝为振型。

结构的特征行列式为：［Ｋ］－ω２［Ｍ］＝０．（３）求解式（３）可得到结构的固有频率ωｉ，从而得到结构的振型｛Φ｝ｉ［２］。

另外，由于机载数据终端在振动时会受到重力的影响，故在对其进行模态分析之前，需对其施加重力载荷，得到机载数据终端内部应力后，将预应力导入到模态分析中，作为材料的固有特性重组系统的刚度矩阵，得到含预应力的各阶模态的固有频率和振型。

这里列出其前６阶振动模态的固有频率及相应的振型特征，如表２所示。

表２　机载数据终端固有频率及振型特征模态阶次固有频率（Ｈｚ）周期（ｓ）振型特征１　７１０．２１　１．４×１０－３盖板１阶翘曲２　１　０２６．４　９．７×１０－４导轨１阶翘曲３　１　３０２．１　７．７×１０－４终端板１阶翘曲４　１　５６８．２　６．４×１０－４盒体上壁板１阶翘曲５　１　５９０．３　６．３×１０－４密码板及电源板２阶翘曲６　１　６７２．４　６×１０－４终端板２阶翘曲２．２　随机振动分析为了保证计算精度，本文分析时提取了机载数据终端在２０Ｈｚ～２　０００Ｈｚ频率范围内的所有固有频率和振型，阻尼比设为０．０１。

施加Ｚ向的随机振动载荷，可得到机载数据终端的变形云图和应力云图，分别如图４和图５所示。

由图４可以看出，机载数据终端在随机振动过程中的最大变形约为０．３６ｍｍ，发生在顶部盖板上，不存在安全隐患。

由图５可以看出，机载数据终端在随机振动过程中的最大应力约为１７５ＭＰａ，发生在印制板导轨截面突变的位置，此应力值相对较大。

事实上，在随机振动试验过程中，此类盒体部分出现了导轨断裂情况，如图６所示。

图４　机载数据终端变形云图图５　机载数据终端应力云图图６　导轨断裂照片经过分析，由于此处截面形状发生突变（利于加工），在此处会产生一定的应力集中，导致此处应力值较大，且会对机载数据终端盒体的疲劳寿命产生较大的影响，属于不合理结构。

而且，处理铣刀加工后留下的毛刺往往会加重此截面的裂缝，更容易出现疲劳断裂。

综合考虑，在此应力集中区域增加圆角设计。

增加圆角后重新对模型进行随机振动分析，得到其应力云图，如图７所示。

由图７可以看出，增加圆角对于截面突变处的应力值有很大的改善，最大应力发生在盖板与散热齿连接处，约为８３．０１ＭＰａ。

２．３　疲劳计算随机振动载荷下的疲劳分析主要有时域［３］和频·６４１·机械工程与自动化 ２０１９年第２期　域［４］两种分析方法，本文选择频域分析方法对机载数据终端盒体的疲劳寿命进行计算。

基于正态分布和Ｍｉｎｅｒ线性累计损伤定律，Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ提出使用三区间法进行疲劳计算［５］，结构整体损伤比Ｒ的计算公式为：Ｒ＝ｎ１σＮ１σ＋ｎ２σＮ２σ＋ｎ３σＮ３σ．（４）其中：ｎ１σ为１σ（σ为应力）值下实际循环数，ｎ１σ＝０．６８３ｖ＋０Ｔ，ｖ＋０为振动平均频率，取保守值２　０００Ｈｚ，Ｔ为随机振动试验时间，Ｔ＝３　６００ｓ；ｎ２σ为２σ值下实际循环数，ｎ２σ＝０．２７１ｖ＋０Ｔ；ｎ３σ为３σ值下实际循环数，ｎ３σ＝０．０４３　３ｖ＋０Ｔ；Ｎ１σ、Ｎ２σ和Ｎ３σ分别为根据材料的疲劳曲线获得的１σ、２σ和３σ应力值下的许用循环次数。

如果总体损伤比Ｒ＜１，则认为结构处于安全状态；如果总体损伤比Ｒ≥１，则认为结构失效［６］。

图７　增加圆角后机载数据终端的应力云图由机载数据终端随机振动仿真结果可知，其无圆角时最大等效应力１σ为５８．３３ＭＰａ，２σ为１１６．６７ＭＰａ，３σ为１７５ＭＰａ；有圆角时最大等效应力１σ为２７．６７ＭＰａ，２σ为５５．３３ＭＰａ，３σ为８３．０１ＭＰａ。

查阅参考文献［７］，铝合金材料２Ａ１２的应力与寿命曲线的拟合公式为：ｌｇＮ＝１８．８２９　４－６．６６２　２ｌｇσ．（５）其中：Ｎ为寿命（应力循环次数）。

将相关参数分别代入式（４）和式（５），经计算可得损伤比Ｒ无圆角＝５８，Ｒ有圆角＝０．４０３。

根据Ｍｉｎｅｒ线性累计损伤定律，由于无圆角存在较大的应力，其损伤比远远超过１，会产生疲劳损坏，而增加圆角后可显著减小等效应力，其损伤比小于１，机载数据终端盒体结构处于安全状态。

经设计改进后，该机载数据终端成品完成了生产加工，并顺利地通过了振动试验，其成品如图８所示。

目前，该产品已近陆续生产及交付三百多套，满足系统的使用要求。

图８　机载数据终端成品３　结语本文利用仿真软件对机载数据终端结构进行了模态分析、随机振动分析和疲劳计算，验证了结构设计的可行性。

综合仿真分析和试验结果可以看出，仿真结果与试验结果基本一致，仿真结果可为结构设计提供设计反馈，仿真工具的使用可有效提高随机振动试验的通过率。

参考文献：［１］　杨玻．高性能无人机机载数据终端的设计［Ｄ］．成都：电子科技大学，２０１０：１－４．［２］　陈浩曼．九江文化中心不规则空间网壳的抗震关键性能研究［Ｄ］．南京：东南大学，２０１２：３１－３２．［３］　白春玉，牟让科，马君峰，等．多轴应力响应下结构振动疲劳寿命预估的时域方法研究［Ｊ］．机械科学与技术，２０１３，３２（２）：２８９－２９３．［４］　刘龙涛，李传日，程祺，等．某结构件的随机振动疲劳分析［Ｊ］．振动与冲击，２０１３，３２（２１）：９７－１０１．［５］　Ｄａｖｅ　Ｓ　Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ．电子设备振动分析［Ｍ］．王建刚，译．第３版．北京：航空工业出版社，２０１２．［６］　黄凯，沈石松，张发洋，等．弹载相控阵天线结构随机振动与疲劳分析［Ｊ］．制导与引信，２０１６，３７（２）：２４－２７．［７］　王明珠，姚卫星，孙伟．结构随机振动疲劳寿命估算的样本法［Ｊ］．中国机械工程，２００８，１９（８）：９７２－９７５．Ｒａｎｄｏｍ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｎ　Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｄａｔａ　ＴｅｒｍｉｎａｌＷＡＮＧ　Ｓｏｎｇ－ｓｏｎｇ１，ＬＩＵ　Ｊｉｅ２（１．ＣＥＴＣ５４，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００８１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｅｂｅｉ　Ｎｏａｈ　Ｈｕｍａｎ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００３５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｄａｔａ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒｐｌａｎｅ　ＴＴ＆Ｃ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｒａｎｄｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｅｍｅｒｇｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｌｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒｐｌａｎｅ，ｉｓ　ａ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｆａｉｌｕｒｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｄａｔａ　ｔｅｒｍｉｎａｌ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｔｈｅ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｒａｎｄｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｄａｔａ　ｔｅｒｍｉｎａｌａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒａｎｄｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｄａｔａ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ａｆｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｄａｔａ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｐａｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｔ　ｗａｓ　ｈａｎｄｅｄ　ｏｖｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｃａｎｐｒｏｖｉｄｅ　ｓｏｍｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｎｅｘｔ　ｓｔｅｐ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｅｗ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｄａｔａ　ｔｅｒｍｉｎａｌ；ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｒａｎｄｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ·７４１·　２０１９年第２期 王松松，等：某机载数据终端随机振动及疲劳分析。