某无人机载电子设备随机振动试验故障分析_高碧祥.pdf

292023 年 2 月/February 2023nvironmentalTestingE环境试验摘要：某无人机载电子设备在随机振动中出现故障，为定位故障，经机理分析、随机振动试验和有限元仿真分析，确定了设备中安装金属板刚度不足导致的共振破坏。通过对设备结构进行改进，增加安装金属板的固定点，增加抗振性能，使产品均顺利通过随机振动试验。关键词：无人机载电子设备；随机振动；故障分析；有限元；共振 中图分类号：TB123 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0029-06某无人机载电子设备随机振动试验故障分析Random Vibration Failure Analysis of A UAV Electronic Equipment高碧祥，唐鹏，赵瑾，龚张侠（四川电子设备研究所，成都 610100）GAO Bi-xiang,TANG Peng,ZHAO Jin,GONG Zhang-xia(Electronic Equipment Research Institute of Sichuan Aerospace,Chengdu 610100)A b s t r a c t：To locate the failure of a UVA electronic equipment during random vibration by analyzing equipment faults and random vibration test and finite element simulation analysis,it is verified that the resonance fault due to insufficient stiffness of the metal plate in the equipment coincides.Then,the equipment structure is optimized to increase the fixed point of the metal plate to improve its the vibration resistance,and the optimized products have passed the random vibration test successfully.K e y w o r d s：UVA electronic equipmen;random vibration;failure analysis;finite element method;resonance引言无人机载电子设备在运输、起飞、巡航及降落等阶段均会存在各种振动环境。据分析表明，电子设备有5 2.7%的失效与环境有关，而航空电子产品因振动、冲击环境引起的失效占 2 8.7%，导弹飞行中有 5 0%的故障是由振动问题引起的 1。为保证电子设备的可靠性，在产品研制早期开展产品环境应力筛选试验，而振动应力作为环境筛选试验的主要应力 2 3，一般采用振动筛选试验对产品进行设计、工艺及元器件缺陷等检查，以筛除电子设备产品的缺陷 4，提前释放风险。文中论述的某无人机载电子设备在随机振动环境筛选试验后，开盖进行目视检查发现设备中某继电器引脚断裂。文中以该电子设备断裂故障为研究对象，开展故障分析验证及有限元仿真验证，得出故障机理：由于该电子设备中某部件与随机振动频率重频导致的振动破坏。根据故障机理，提出对应的整改措施并验证，为后续产品的试验交付等提供一定依据。1故障分析某电子设备进行3 方向的随机振动试验，在振动前、中、后分别进行通电测试，设备工作正常，电气指标均满足要求。振动完成后对设备进行开盖目视检查，发现设备中某继电器引脚断裂。由于该设备中的继电器均采用双冗余设计，且安装的敏感方向互相垂直，因此，在振动试验中该继电器引脚断裂后，其垂直方向上的冗余继电器可保证功能正常，故在试验后的电气测试无法及30环境技术/Environmental Technology环境试验nvironmentalTestingE时发现设备故障。检查故障继电器，除断裂引脚外，其余引脚无缺陷，同时，查看同一批次相同型号继电器及复检记录，均未发现继电器引脚缺陷，故排除继电器本身缺陷；分析继电器安装方式，继电器均安装在较大尺寸的金属安装板上，而金属安装板仅通过四角支耳与箱体固定，因此会存在金属安装板刚度较低，低阶固有频率与振动试验频率耦合引起共振，使继电器受到的激励被放大，从而导致引脚断裂。2故障验证通过试验工装将无人机载电子设备固定到振动试验台，且在故障继电器安装位置处、垂直方向的金属板中心处均粘接传感器后进行 3 方向的随机振动试验，采集随机振动试验过程的响应数据，其中 X方向量级最大，X向试验数据见图 1 所示。通过随机振动试验 P S D曲线可以看出，在振动频率 2 0 0 H z 附近，测点位置振动量级被放大，安装在此处的继电器受到远远高于试验输入能量，从而导致引脚断裂。3模态分析模态表征着结构系统动态振动特性，由系统特征值和相应的特征矢量确定。模态参数一般指振动系统的各阶固有频率、振型等，为了得到模态参数，将系统的模态矩阵作为变换矩阵，以物理坐标表征的振动微分方程做变换为模态坐标，使该微分方程组解耦，再利用振动叠加原理求得，这种方法称为模态分析 5。模态分析是动力学分析的基础，主要求解设备的频率和振型等模态参数。3.1仿真分析本文采用有限元分析软件对该无人机载电子设备进行模态分析。综合考虑模型准确性、提高仿真计算效率等因素，对电子设备进行适当简化，删除模型中对结果影响较小的倒圆角、倒角等特征，保留全部零部件，简化后的有限元模型见图 2。模型中各零部件之间均通过安装孔位采用梁单元进行连接；通过固定约束电子设备腔体 4 个支耳安装孔作为模拟真实的边界条件；采用以四面体为主的自由网格划分，网格数量 6 7 1 5 3 个，节点数 1 4 2 1 8 4 个；模型中各部件材料见表 1 所示，其中各继电器质量按照选型手册中真实质量赋予。3.2仿真结果在前处理完成后，计算电子设备模态分析结果，提取前 2 阶模态参数，结果如表 2 所示。结合模态仿真分析结果和图 1 试验结果可知，该无零件材料杨氏模量（MPa）泊松比密度（g/cm3）金属零件 铝合金71 0000.332.77连接器铝合金71 0000.332.77PCBFR-411 0000.281.9继电器铝合金按真实质量赋予图 1 随机振动试验 PSD 曲线图 2 电子设备简化后模型表 1 各零部件材料力学性能312023 年 2 月/February 2023nvironmentalTestingE环境试验阶数模态频率（Hz）模态振型1203.77（竖）金属安装板 x 向 1 阶弯曲2217.44（横）金属安装板 y 向 1 阶弯曲阶数模态频率（Hz）模态振型质量增加（kg）备注1247.8（竖）金属安装板 x 向 1 阶弯曲0.15金属安装板材料更改为钢2263.89（横）金属安装板 y 向 1 阶弯曲1278.82（竖）金属安装板 x 向 1 阶弯曲0.04金属安装板厚度从 4 mm 加厚到 6 mm2297.91（横）金属安装板 y 向 1 阶弯曲人机载电子设备的金属安装板 1 阶弯曲模态均在 2 0 0 H z左右，处于随机振动频率峰值，因此验证了该无人机载电子设备中继电器引脚断裂是由于金属安装板 1 阶模态频率处于随机振动频率平直段，导致发生共振，安装在表 2 无人机载电子设备前 2 阶模态参数（a）1 阶模态振型（b）2 阶模态振型图 3 前 2 阶模态振型表 3 无人机载电子设备更改后前 2 阶模态参数金属安装板上的继电器受到超出其可承受范围内的能量。4整改设计为提高电子设备金属安装板的结构频率，可采用下述 2 种方法：1）提高金属安装板的刚度，比如更换刚度更高的材料（钢等）、加厚金属安装板厚度、更改金属安装板截面形状等；2）增加金属安装板的固定支撑点。根据上述第 1 种方法，对金属安装板分别进行材料更改处理和加厚处理，模态仿真结果如表 3 所示。从上述仿真结果可知，更改金属安装板材料及加厚截面尺寸对提升其自身频率有限，且会增加无效质量，此方法应用于机载电子设备中是不可取的，同时会造成现有产品零件报废。随机振动试验频率范围为（2 0 2 0 0 0）H z，使该设备低阶频率难以避开，因此采用第 2 种方法提高低阶频率，增加抗振性能。将该电子设备中每个金属安装板均增加 6 个与箱体固定的支柱，模型见图 6 所示。4.1模态仿真分析将优化后模型按 3.1 节所述进行模型简化、边界条件处理及材料赋予等前处理，优化后模型采用以四面体为主的自由网格划分，网格数量 6 9 2 8 9 个，节点数1 9 1 5 8 8 个。计算电子设备模态分析结果，提取电子设备前 9 0 阶模态可知，最大模态频率约为 3 0 0 0 H z，且金属安装板 1 阶模态频率大于 2 0 0 0 H z，该结果说明对金属安装板合理增加固定支撑点后，其刚度提升明显，能满足此随机振动频率范围内的要求。文中仅将前 1 0 阶模态32环境技术/Environmental Technology环境试验nvironmentalTestingE阶数模态频率（Hz）模态振型1395.75局部（盖板）模态2397.58局部（汇流条）模态3 9454.21 571.02局部模态10615.98局部（盖板）模态表 4 优化后无人机载电子设备前 10 阶模态参数（a）1 阶模态振型（a）1 阶模态振型（b）2 阶模态振型（b）2 阶模态振型图 4 变更材料后前 2 阶模态振型图 5 加厚后前 2 阶模态振型图 6 整改后电子设备模型参数列表 4 所示。4.2随机振动分析随机振动分析是基于功率谱密度（P S D）的谱分析，是采用统计方法研究激励或系统响应为随机的振动系统，功率谱密度描述了随频率变化的激励和响应的方差 6。本文以随机振动试验频谱为输入，随机振动谱见图 7 所示，利用有限元分析软件对优化后的某无人机载电子设备进行随机振动分析。随机振动分析需以模态分析为基础，且最大模态频率应大于 1.5 倍最大功率谱频率，基于 4.1 节开展对电子设备在 3 方向（X向、Y向、Z向）的随机振动计算。电子设备在 3 方向的应力云图如图 8 所示。从图中可知设备在 X向激励载荷作用下最大应力值（3）为 0.0 2 4 MP a，在 Y向激励332023 年 2 月/February 2023nvironmentalTestingE环境试验载荷作用下最大应力值（3）为 0.0 2 5 MP a，在 Z向激励载荷作用下最大应力值（3）为 0.0 1 8 MP a，且均出现在继电器安装支耳处，远远小于铝合金强度，故满足强度要求。选择断裂继电器位置附近的某点，查看该点在 3 方向下随机振动中的加速度响应结果，具体见表 5 所示。从表中可以看出，优化后的模型在随机振动中受到的加速度均方根值小，再次验证优化结构有效。5整改后验证根据整改措施落实到该无人机载电子设备，更改完成后进行随机振动试验验证，试验现场及开盖检查如图 9 所示。试验优化后设备满足随机振动试验要求，优化方案切实可行，后续产品均通过随机振动试验。6结论文中以某无人机载电子设备在随机振动筛选试验中出现的故障现象为研究对象，通过随机振动试验和有限元分析确定了故障机理，提出了使用增加支撑柱的方法来提高自身频率，并通过随机振动试验验证了该方法有效可行。本文采用的增加固定点来提高自身频率，避开振动试验频率范围的方法对同类故障的优化具有一定的参考价值。位置最大加速度均方根值（m/s2）X 向Y 向Z 向断裂点附近0.0310.0360.037图 7 随机振动谱（a）X 向等效应力云图（b）Y 向等效应力云图（c）Z 向等效应力云图图 8 随机振动 3 应力云图表 5 断裂点位置加速度响应34环境技术/Environmental Technol