一种提高机载机箱振动可靠性的方法与流程
本发明属于机载电子设备机箱技术领域；尤其涉及一种提高机载机箱振动可靠性的方法。
背景技术：
机载电子设备机箱是设备现场工作的基础，为机载机箱内部的元器件和组提供良好的、能够抵抗外界恶劣条件的运行环境。机载电子设备机箱通常会经历工程现场工作、运输和安装的过程，这使得机载电子设备机箱处于严重振动和冲击的复杂载荷环境中，这些基础振动会导致元器件焊点松动、开路和组件损坏等，目前这类问题已经成为系统故障的主要原因之一。随着电子元器件小型化和精密化的发展，对机载电子设备机箱的振动可靠性的要求也随着提高。因此提高机载电子设备机箱振动可靠性来保障机载电子设备机箱内元器件的安全性是非常重要的。传统的机箱结构大部分是依赖于理论计算和经验设计而成，仅仅给出了机载电子设备机箱产品的共振频域，导致机载电子设备机箱的使用工况受到限制。但现代工程对产品的要求越来越高，电子元器件不断往小型化和精密化的方向发展，并且应用环境越来越复杂，传统的方法已经不能满足机载电子设备机箱可靠性要求。为了克服现存的这些问题，需要预先考虑外界环境激励荷载特性对机载电子设备机箱影响，在机载机箱设计阶段优化结构缩减共振频域，提高机载电子设备机箱的振动可靠性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供了一种提高机载机箱振动可靠性的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种提高机载机箱振动可靠性的方法，包括以下步骤：
步骤一：简化机箱小特征，建立机载机箱的数值模型；
步骤二：确定机载环境对机箱的激励载荷数值；
步骤三：建立机载机箱的有限元模型；
步骤四：进行机载机箱的模态分析和基础激励的谐响应分析；
步骤五：确定机载机箱的共振点，分析机载机箱结构危险振型及对应的固有频率，评价机载机箱使用、运输和安装等时的稳定性。
优选地，所述提高机载机箱振动可靠性的方法，包括以下具体步骤：
步骤一：简化机箱小特征，建立机载机箱的数值模型；
(1)简化机箱的小特征和无关的小零件
忽略机载机箱上对计算结果影响较小的安装螺纹孔等小特征，同时对于机载机箱上质量很小的元器件，例如bnc接头、插座、网口和风扇等，由于质量很小，不考虑其对机载机箱结构振动的影响，建模时对其进行简化。
(2)建立几何模型
首先利用solidworks软件建立机载机箱简化后的各个部分的三维实体模型，然后对机载机箱进行装配，形成装配体模型；
步骤二：确定机载环境对机箱的激励载荷
根据机载机箱在使用、安装和运输状态中所遇到各种环境的基础激励荷载数值及特征，制备机载机箱加速度载荷曲线。
步骤三：建立机载机箱的有限元模型
(1)导入机载机箱几何模型
将步骤一所建立的机载机箱装配体几何模型以中间格式的文件类型导入有限元分析软件ansys；
(2)定义机载机箱结构的材料参数
机载机箱结构材料采用铝合金，针对机载机箱结构振动可靠性问题，将材料视为线弹性材料，对机箱结构材料定义密度、弹性模量和泊松比等
(3)对机载机箱结构划分网格
网格划分采用多区域的网格划分方法，设置网格类型为四面体10节点二次单元solid187，先进性全局网格控制，然后再对局部网格进行细化，设置网格过渡比率为1.3。
(4)定义边界条件及求解设置
首先设置接触，机载机箱由几部分部件组合而成，需要对机载机箱各部分零件定义接触，机载机箱各部分实际是固连的，因此在有限元软件ansys中定义接触为绑定连接(bonded)；然后施加载荷，根据步骤二的荷载数值和形式，对机载机箱施加相应荷载；最后定义求解频域。
步骤四：进行机载机箱的模态分析和基础激励的谐响应分析；
利用步骤三建立的机载机箱的有限元模型，通过有限元分析软件ansys的modal模块进行机载机箱的模态分析，获得机载机箱的模态特性，包括固有频率和振型等，为机载机箱的基础激励的谐响应分析提供动力学参数。同时也可获得每阶振型的参与系数，确定主振型；将模态分析作为基础，对机载机箱进行谐响应分析，获得机载机箱受到外界工作环境的激励频率与机载机箱固有频率达到共振时，机载机箱的振幅及其他动力响应结果。
步骤五：确定机载机箱的共振点，分析机载机箱结构危险振型及对应的固有频率，评价机载机箱使用、运输和安装等的稳定性，采取相应措施优化机载机箱的质量分布和刚度分布，从而提升机载机箱结构的振动可靠性。
本发明具有以下优点：
(1)本发明提供一种提高机载电子设备机箱振动可靠性的方法，可提高机载电子设备机箱在复杂使用环境中的振动可靠性。
(2)本发明在考虑外界环境激励荷载特性对机载电子设备机箱影响的情况下，在设计阶段对机载电子设备机箱结构进行模态分析和基础激励的谐响应分析，由动力响应结果确定机载机箱共振点，评估机载机箱的振动稳定性，通过改变机载机箱的结构几何和材料等改变机载机箱的质量分布和刚度分布，从而改善机载机箱的振动特性，来保证机载机箱的振动可靠度，对提高机载电子设备机箱振动可靠性有一定的指导意义。
(3)本发明建立了一种提高机载电子设备机箱振动可靠性的方法，通过在有限软件ansys中建立机载电子设备机箱结构的有限元仿真计算模型，进行模态分析和基础激励的谐响应分析，模态分析得到机载电子设备机箱结构的固有频率、振型和各阶振型的参与系数，谐响应分析得到机载电子设备机箱结构在外界载荷激励下的动力响应结果，从而确定机载电子设备机箱结构薄弱区域、共振频域和危险振型对应的振幅及应力结果，基于分析结果优化机载机箱的质量分布和刚度分布，从而提高机载电子设备机箱的振动可靠性。
附图说明
图1是机载机箱的网格划分效果图；
图2是机载机箱的振动幅频特性曲线；
图3是机载机箱的振动加速度变化曲线；
图4是机载机箱的振动应力变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例
本实施例涉及一种提高机载电子设备机箱振动可靠性的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：简化机箱小特征，建立机载机箱的数值模型；
(1)简化机箱的小特征和无关的小零件
忽略机载机箱上对计算结果影响较小的安装螺纹孔等小特征，同时对于机载机箱上质量很小的元器件，例如bnc接头、插座、网口和风扇等，由于质量很小，不考虑其对机载机箱结构振动的影响，建模时对其进行简化。全局的分析是线性的计算过程，不考虑局部的接触非线性，全部采用线性行为的绑定连接，限制发生相对滑移。简化一些对整体结果影响很小的结构细节，能够提升效率。
(2)建立几何模型
首先利用solidworks软件建立机载机箱简化后的各个部分的三维实体模型，然后对机载机箱进行装配，形成装配体模型。去除机载机箱上的bnc接头、插座、网口和风扇等无关小零件，建立简化后的机载机箱三维几何模型。
步骤二：确定机载环境对机箱的激励载荷
根据机载机箱在使用、安装和运输状态中所遇到各种环境的基础激励荷载数值及特征，制备机载机箱加速度载荷曲线，需要分别作出空间坐标系的三个方向的加速度加载的曲线，加速度的加载曲线与基础激励的谐响应分析时机载机箱的持续动力特性有关。这样可以在机载机箱设计阶段充分考虑各种外界环境的激励荷载特点，可有效提高机载机箱的可靠性，尤其在复杂恶劣的振动冲击场景时的振动可靠性，
步骤三：建立机载机箱的有限元模型
(1)导入机载机箱几何模型
将步骤一所建立的机载机箱装配体几何模型保存成x_t类型的中间格式的文件类型，然后以中间格式的文件类型导入有限元分析软件ansys中进行有限元分析；
(2)定义机载机箱结构的材料参数
机载机箱结构材料采用合金钢和铝合金，针对机载机箱结构振动可靠性问题，可将机载机箱材料视为线弹性材料，对机箱结构材料定义密度、弹性模量和泊松比等。完成材料定义之后，将定义好的材料赋予机载机箱响应的零件，其中机载机箱有限元分析材料参数见表1所示：
表1
(3)对机载机箱结构划分网格
网格划分采用多区域的网格划分方法，设置网格类型为四面体10节点二次单元solid187，先进性全局网格控制，然后再对局部网格进行细化，设置网格过渡比率为1.3。每个单元节点有x、y、z共3个方向的平动自由度，单元具有黏弹性、蠕变应力强化、大变形和大应变等特点。采用网格综合质量评价标准(elementquality)评价网格划分质量，网格质量为0.91，当网格质量为0.85及以上时，说明网格质量较好，可满足大部分精度要求较高的计算，网格质量较好，满足计算要求，节点数为159822，单元数为75867，网格划分结果如图1所示。
(4)定义边界条件及求解设置
首先设置接触，机载机箱由几部分零件组合而成，需要对机载机箱各部分零件定义接触，机载机箱各部分实际是固连的，因此在有限元软件ansys中定义接触为绑定连接(bonded)，软件中的绑定接触类型，其接触状态的计算是线性的，确保全局计算为线性计算；然后施加载荷，根据步骤二的荷载数值和形式，对机载机箱加载加速度激励载荷，然后定义模态求解范围及基础激励的谐响应分析的扫频范围。
步骤四：进行机载机箱的模态分析和基础激励的谐响应分析；
利用步骤三建立的机载机箱的有限元模型，通过有限元分析软件ansys的modal模块进行机载机箱的模态分析，获得机载机箱的模态特性，包括固有频率和振型等，并对每阶振型的参与系数进行统计，确定每阶的主振型，为机载机箱的基础激励的谐响应分析提供动力学参数；将模态分析作为基础，对机载机箱进行谐响应分析，获得机载机箱受到外界工作环境的激励频率与机载机箱固有频率达到共振时，机载机箱的振幅、振动加速度、应力及其他动力响应结果，分析的结果可用于预测结构的持续动力特性，验证机载机箱结构能否抵抗共振、疲劳及其他受迫振动等有害因素，是否需要过改变机载机箱的结构几何和材料等改变机载机箱的质量分布和刚度分布，从而改善机载机箱的振动特性，来保证机载机箱的振动可靠度。
基于有限元方法和动力学建模理论，将机载机箱等效为有n个较小弹性单元的离散系统。不考虑阻尼的影响，系统处于无激励载荷的自由振动状态，建立机载机箱自由振动的线性动力学方程为：
式中：m为结构的质量矩阵；k为结构的刚度矩阵；
将式(2)、式(3)代入式(1)中，得到特征方程为：
对特征方程进行讨论，当满足以下条件时，式(4)成立。
det(k-ωi2m)＝0(6)
式(5)表示系统结构没有发生振动，式(6)中关节轴承结构自由振动模态为方程的特征值，特征值为系统结构固有角频率的平方，特征值对应的特征向量为系统结构的振动模态。特征值的平方根为ωi，表示第i阶自由振动频率即系统结构的固有频率。根据fi＝ωi/2π解出关节轴承系统结构的固有频率fi。系统的振动频率为fi时，振型为
通过模态分析求得机载机箱的前6阶固有频率数值和每阶固有频率对应的振型，以及每阶振型的参与系数，然后通过参与系数确定机载机箱的主振型。模态分析结果如表2--机载机箱模态分析结果所示。
表2
由模态分析结果可知机载机箱前6阶固有频率范围为122hz至364hz之间，当外界激励载荷频率在机载机箱的固有频率122hz至364hz范围内，且载荷作用方向与振型一致时，机载机箱有很大可能性发生共振。
基于机载机箱模态分析结果，利用模态叠加法进行基础激励的谐响应分析，根据模态分析所得机载机箱固有频率结果，设置谐响应扫频范围为50hz至350hz，对机载机箱进行基础激励的谐响应分析，通过谐响应分析获得在基础激励载荷作用下机载机箱结构的幅频响应曲线、振动加速度曲线和应力变化曲线等，从而确定外界激励频率与机载机箱固有频率达到共振时，机载机箱的振幅、振动加速度和各部分结构的变形和应力等。利用谐响应分析的结果预测结构的持续动力特性，帮助验证系统能否克服共振、疲劳及其他受迫振动等有害因素。
如图2所示，机载机箱在频率为193hz附近发生剧烈共振，在频率为303hz附近发生共振，振幅有所减小。由此可知，当机载机箱在外界载荷激励作用下在频率为193hz和303hz时会发生共振，并且结合模态分析结果可确定机载机箱的第2阶振型和第4阶振型为机载机箱的危险振型。
如图3所示，机载机箱的加速度变化曲线与其幅频特性曲线变化趋势一致，在频率为193hz时加速度出现最大峰值，在频率为303hz时加速度出现第二个峰值，峰值有所减小。当机载机箱加速度出现峰值时，机载机箱振动过程中会承受很大的破坏性的能量，会对机载机箱及其元器件造成破坏。
如图4所示，机载机箱的应力变化曲线同样在频率为193hz和303hz时出现波峰，频率为193hz时的第一个波峰峰值较大，频率为303hz时的第二个波峰峰值有所减小。当机载机箱应力出现峰值时，机载机箱振动过程中其强度较弱。
步骤五：结合机载机箱的模态分析结果和基础激励的谐响应分析结果，可确定机载机箱的共振点的固有频率为193hz和303hz。机载机箱的第2阶振型和第4阶振型为危险振型，危险振型对应的固有频率为193hz和303hz。当外界激励载荷的频率接近193hz和303hz时，机载机箱发生共振，加速度和应力变化曲线出现峰值，这将会导致机载机箱结构出现较大变形和剧烈振动等，造成机载机箱、机箱内元器件和工作性能等出现故障，降低甚至破坏机载机箱的可靠性和安全性。根据模态分析结果和基础激励的谐响应分析结果所得共振点、危险振型和结构刚度薄弱位置，对机载机箱的结构进行优化，改变机载机箱的质量分布和刚度分布，可提高机载机箱的振动可靠性。
本发明针对现有技术存在以下优点：
(1)本发明提供一种提高机载电子设备机箱振动可靠性的方法，可提高机载电子设备机箱在复杂使用环境中的振动可靠性。
(2)本发明在考虑外界环境激励荷载特性对机载电子设备机箱影响的情况下，在设计阶段对机载电子设备机箱结构进行模态分析和基础激励的谐响应分析，由动力响应结果确定机载机箱共振点，评估机载机箱的振动稳定性，通过改变机载机箱的结构几何和材料等改变机载机箱的质量分布和刚度分布，从而改善机载机箱的振动特性，来保证机载机箱的振动可靠度，对提高机载电子设备机箱振动可靠性有一定的指导意义。
(3)本发明建立了一种提高机载电子设备机箱振动可靠性的方法，通过在有限软件ansys中建立机载电子设备机箱结构的有限元仿真计算模型，进行模态分析和基础激励的谐响应分析，模态分析得到机载电子设备机箱结构的固有频率、振型和各阶振型的参与系数，谐响应分析得到机载电子设备机箱结构在外界载荷激励下的动力响应结果，从而确定机载电子设备机箱结构薄弱区域、共振频域和危险振型对应的振幅及应力结果，基于分析结果优化机载机箱的质量分布和刚度分布，从而提高机载电子设备机箱的振动可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
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