倍频程准则在星载电子设备结构设计中的应用.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:引用格式:彭鑫曹健赵静.倍频程准则在星载电子设备结构设计中的应用.空间电子技术():.():.:./.倍频程准则在星载电子设备结构设计中的应用彭 鑫曹 健赵 静(中国空间技术研究院西安分院西安)摘 要:在星载电子设备的结构设计中一般采取局部加强结构刚度来减小其响应但对有些结构此方法效果并不理想 为减小某单机中关键部件的加速度响应通过倍频程准则对结构进行优化设计通过合理弱化支架刚度来降低核心部件的响应 仿真结果表明在弱化某些结构部件的情况下使得谐振器的加速度响应降低了 效果明显 通过弱化非核心部件来减小核心部件的响应有别于常规的增加整体结构刚度来减小响应对后续电子设备的优化设计具有一定的指导意义关键词:结构设计加速度响应倍频程准则中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:引言星载电子设备通常都会经历严苛的振动环境 设备中的某些元器件或部组件可能会在振动中发生破坏或者无法在振动过程中正常工作因此在结构设计阶段就必须考虑对结构进行优化设计以保证电子设备能够正常工作 常用的减振方法有减小激励、避开共振区域、增加阻尼和使用减振器等但星载设备受限于使用环境苛刻、尺寸重量限制、可靠性要求极高等因素往往难以采取上述常规方法 在星载电子设备的结构设计中通常用增大各部件的结构刚度以减小其振动响应但该方法往往会增加整机重量且不一定能起到预期的减振效果 基于倍频程准则的优化思路是增大振动敏感部分与其支撑结构的频率比值 年第 期彭鑫等:倍频程准则在星载电子设备结构设计中的应用可以在减轻并弱化结构的情况下取得较好的减振效果本文应用 软件及 软件建立了某星载电子设备的结构模型及有限元模型对其进行了随机振动分析得出了振动敏感元器件处加速度响应随后通过倍频程准则优化改进结构并分析改善情况 倍频程准则对于星载电子设备承受的振动载荷通常可以研究能量是如何从支撑结构传递到电路部分来避免振动对设备造成损坏 由于电路部分与支撑结构连接在一起支撑结构的振动响应即是电路部分的激励载荷 由于随机振动载荷为宽频载荷在随机振动环境中支撑结构和电路部分均会受到外激励载荷的影响若电路部分的固有频率接近于支撑结构的固有频率将发生共振这就会导致电路部分的响应被大幅放大必须采用解耦设计以减小电路部分的振动响应结构动力学的理论表明为实现支撑结构和电路部分的动力学解耦二者的固有频率比值应大于即一个倍频程工程上也称为倍频程准则 下面将通过一典型两自由度系统的参数分析详细阐述支撑结构与电路部分可以简化为如图 所示的两自由度振动系统其中结构部分用质量 表示其首先接受能量为一阶自由度电路部分用质量 表示接受来自结构的能量为二阶自由度图 结构和电路两自由度强迫振动系统.改变结构刚度可改变固有频率改变质量可改变结构部分与电路部分之间的重量比改变结构阻尼可改变结构部分与电路部分之间的传输率 值传输率如式()所示 图、图 为两种不同重量比下结构与电路之间的动力学耦合效应 /()其中:强迫频率:固有频率:阻尼比:临界阻尼图 /.时不同传输率的结构与电路之间的动力学耦合效应./.图 /.时不同传输率的结构与电路之间的动力学耦合效应./.表示电路部分的耦合响应表示结构的非耦合响应表示电路的非耦合响应 动态耦合比 /表示结构部分的固有频率表示电路部分的固有频率表示结构部分的重量表示电路部分的重量 多工器随机振动分析图 为某介质多工器三维模型为节省舱板安空间电子技术 年第 期装空间将两组滤波器立式安装外挂在支架上 本产品中介质谐振器为振动敏感元器件通过胶接的方式与结构部分连接经验数据表明其承受的加速度超过 时有脱落的风险 设备在工作时所承受的力学条件如图 所示图 介质多工器三维模型.图 随机振动试验条件.对系统施加图 所示的随机振动激励谱进行分析可得到介质谐振器在 方向的加速度响应为.如图 所示超过了 的安全阈值需要进行结构优化设计图 谐振器 方向加速度响应.基于倍频程准则优化 对介质多工器各个部件进行模态分析 得到各个部件的一阶模态结果如图 所示图 各部件的基频.由图 可知支架、滤波器、谐振器三个部件的一阶基频分别为 谐振器与滤波器的频率比值/远大于由图(谐振器与滤波器重量比约为.)可知谐振器与滤波器之间的动态耦合距离危险区域较远继续增大二者的频率比值对谐振器的动态响应改善不明显滤波器与支架的频率比值/为.不满足倍频程要求因此优化思路应为增大二者频 年第 期彭鑫等:倍频程准则在星载电子设备结构设计中的应用率比值使其满足倍频程准则增大滤波器与支架之间的频率比值可以选择加强滤波器或者削弱支架 考虑到滤波器刚度较高且受内部结构限制较难大幅提高其结构刚度因此选择弱化支架以增大二者间频率比在材料、形状及受力等条件不变的情况下可通过改变支架的截面来调整支架的刚度 通过弱化支架的横板、侧筋来降低支架刚度对弱化后的支架进行模态分析结果如图 所示:图 倍频程准则优化后的支架基频.弱化后的支架基频由 降低为 滤波器与支架二者的频率比值从.增大到了 滤波器与支架重量比从 增大为.由图、图 可知质量比增大时危险区域会沿着 轴负方向平移此时二者的动态耦合已远离危险区域保持其他条件不变计算谐振器加速度响应结果如图 所示 谐振器的加速度响应由.降低为.满足使用要求响应降低了 优化效果较好 计算优化前后的支架应力变化结果如图 所示图 倍频程准则优化后谐振器加速度响应.图 优化前后支架应力.由分析结果可知支架最大应力由优化前的.增加到.应力仅增大了约 且远小于支架的许用应力满足使用要求 结论本文选择了一种星载介质多工器进行设计研究通过倍频程准则对其结构进行优化设计在减轻整机重量的同时使得谐振器的加速度响应从 降低为.减振效果较好且优化后的支架应力仅增加了 满足使用要求 本文选用的优化思路有别于常规的减振设计思路通过弱化非核心部件来减小核心部件的响应在达到减振效果的同时能够不增加设备重量及整机复杂度这两个对星载设备来说极为关键的指标对后续星载电子设备的优化设计具有一定的指导意义参考文献:柯受全.卫星环境工程和模拟试验(下).北京:中国宇航出版社.空间电子技术 年第 期 .:.霍小宁张更谭志红.一种高超声速机载天线结构轻量化设计.空间电子技术():.戴夫.斯坦伯格.电子设备振动分析.王建刚译.北京:航空工业出版社.王程霖王辰星吴娜等.飞行器随机振动筛选试验可靠性研究.航天制造技术():.李齐兵敬敏张梁娟等.某机载单元随机振动疲劳分析.电子机械工程():.纽兰.随机振动与谱分析概论.方同黄嘉璜朱位秋等译.北京:机械工业出版社.刘治虎郭建平杨龙.某机载电子设备结构随机振动分析.航空计算技术():.欧阳洪刘新彬沈雷皓.有限元分析的准确性验证及应用.科学技术创新():.彭超义曾竟成肖加余等.航天器发动机推力支架桁架结构的有限元分析与优化设计.宇航材料工艺():.代锋唐德效石敏.电子设备结构“解耦设计”理论及方法.空间电子技术():.代锋王琼皎.能量耗散法在航天电子设备结构设计中的应用.空间电子技术():.曾攀雷丽萍方刚.基于 平台有限元分析手册:结构的建模与分析.北京:机械工业出版社.王霞李建平.弦梁耦合系统的动力学行为分析.振动与冲击():.作者简介:彭鑫()湖北武汉人本科工程师 主要研究方向为结构设计:.