ANSYS动力学仿真技术在航天计算机机箱结构设计中的应用.docx

电 子 机 械 工 程2003 年第 19 卷第 5 期42 Electro - Mechanical Engineering 2003. Vol. 19 No. 5ANS YS动力学仿真技术在航天计算机 机箱结构设计中的应用*杨宇军(航天科技集团第九研究院七七一研究所 ,陕西 西安 710065)摘 要 :在航天电子产品设计过程中 ,机箱结构的动力学仿真分析对于提高产品的环境适应性起着举足 轻重的作用。 它不仅有助于在产品研发阶段寻求最优化的解决方案 ,而且能明显缩短产品研制周期、降 低生产成本、确保产品质量。 这里使用著名有限元分析软件 ANSYS ,针对航天专用计算机机箱结构进 行了动力学仿真分析 ,其中包括模态分析、半正弦冲击分析和随机振动分析 。并与试验测试结果相比 较 ,验证了研究中所提取的仿真模型及所施加的边界条件的合理性。 该模型在某实际产品设计中产生 了显著的经济效益。关键词 :动力学仿真; 航天加固计算机 ;振动分析中图分类号 : TP391. 9 ; TP303 文献标识码 :A 文章编号 :100825300 (2003) 0520042206Vibration Analysis of the Aerospace Rugged Computer Using ANSYS Dynamic Simulation TechniqueYANG Yu2jun( No. 771 Research Instit ute of Aerospace Technology Group , Xian 710065 , Chi na)Abstract :The dynamic simulation of aerospace rugged computer case plays an important role in product de2 sign cycle. It is helpful not only in seeking optimum solution for product , but also efficient in shortening the research cycle , reducing cost and insuring the product quality. In this paper , the famous FEM software ANSYS has been used. Modal analysis , transient analysis of response of half2sin2shock and PSD analysis of a computer scase has been studied. Then the simulation result was compared with experimental data. It verified the reasonability of the simplified model and the boundary condition used in analysis.Key Words :Dynamic simulation ; Aerospace rugged computer ; Vibration analysis1 引 言航天计算机与普通商用计算机有着很大的不同 。 一方面 ,从其应用场合来说 ,主要以嵌入式应用为主 ; 另一方面 , 由于其应用环境极为恶劣 ,在机箱结构设计 上必须采用一系列的加固措施 ,尽量避免或减小由于 高低温、振动冲击、电磁干扰等不利因素对电气性能造 成的影响。航天计算机结构设计的目的是为安装在它内部的 电子元件和组件提供一个良好的、能够抵抗外界恶劣 条件的微环境 ,抗振缓冲设计便是其中的一项关键技 术。 使用 ANSYS 有限元分析软件有助于在概念设计阶段寻找出产品设计中的重要缺陷 ,选择、优化结构设 计方案 ,提高产品可靠性 ,并由此可以缩短产品开发时 间 ,降低样机制造及试验成本。一个典型的航天计算机结构设计动力学仿真分析 过程是 :模态分析 谐响应分析 瞬态分析 谱分析 ( PSD分析) 。其中瞬态分析与实际产品试验中的半 正弦冲击试验相对应 ,谱分析与实际试验中的随机振 动振动试验相对应 ,这里仿真分析的激励完全按照真 实产品试验条件给定。2 物理模型插板式计算机是军用弹、星载计算机结构设计中* 收稿日期 :2002207231 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图 6 安装角的有限元模型第 5 期 杨宇军 :ANSYS 动力学仿真技术在航天计算机机箱结构设计中的应用 43经常采用的一种典型的机箱组装方式 ,其外观多为规则的长方体形 ,机箱为六面拼装结构 ,内部装有因电气功能划分而形成的结构上相对独立的插板 ( PCB) ,插板板面法向与重力方向垂直 ,在机箱侧壁有导轨 ,插板与导轨间通过楔形装置锁紧。 各功能板通过插板下部的电连接器与公共总线底板实现电气互连 ,底板板面法向与各功能插板正交并平行于重力方向。 分析对象的 CAD 模型见图 1。图 3 箱框有限元模型为 0. 002 m ;加强筋采用 B EAM 单元 ,材料为硬铝 ;减 振器采用 COMB IN14 单元 ,实参数弹簧刚度为 10000 N/ m。 图 2 为实际分析时的有限元模型 。图 3 至图 6 分别为内部各主要模块的有限元模型。图 1 整机 CAD 造型机箱内部有 5 块插板、1 个电源模块 (平面尺寸与插板相同)、1 个底板。机箱材料为 L Y12 ,PCB 材料为 FR - 4 ,其典型的材料特性见表 1。图 4 内部印制板的有限元模型及耦合节点表 1 典型的材料特性材 料 密 度 弹性模量 泊松比 硬铝 (L Y12) 2800 7. 1 E10 0. 31PCB ( FR24) 1800 8. 5e9 0. 33 3 有限元模型图 5 电源模块有限元模型虽然机箱结构形式为六面拼装 ,但连接处螺钉间距较密 ,按照经验 ,在通常的试验条件下 ,认为可以作为刚性连接处理 ,即连接面不会发生相对滑移 ,所以在建模时将四个侧壁连接为一个箱框 ,为方便机箱内部建模及观察结果 ,将上、下盖板及电源模块分开建模 ,再与箱框 glue 为一体。4 模态分析图 2 ANSYS 有限元模型整机的外部装有三向等刚度减振器 ,其自振频率 为 50 Hz 左右 ,可以预计整机的前几阶模态应以减振机箱采用 SOL ID92 单元 , 材料为硬铝 ; 所有的PCB 采用 SHELL63 单元 ,材料为 FR - 4 ,实参数厚度1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 44 电 子 机 械 工 程 第 19 卷器的振动为主。 在后面的高阶模态中 , PCB 在各种振 动模态中的相对位移比机箱的振动位移更明显 。表 2中详细列出了前 100 阶模态的对应频率 。图 7 至图 21 为几阶典型的模态振型。表 2 100 阶模态的对应频率频 率732. 73735. 51743. 06746. 20782. 21873. 17892. 82947. 00950. 78951. 02952. 62961. 09987. 291061. 81076. 61119. 11143. 41173. 61183. 21188. 91195. 11236. 01246. 41255. 41257. 7频 率1258. 51337. 61337. 91338. 81372. 41387. 61462. 61470. 51481. 31481. 61481. 91529. 21581. 01605. 41625. 41625. 91626. 31703. 71704. 01758. 81767. 51778. 61823. 21833. 81866. 4模 态12345678910111213141516171819202122232425频 率41. 07058. 26760. 81287. 73288. 633153. 75164. 26311. 44312. 54313. 19313. 78323. 19343. 37370. 65388. 22566. 37579. 87581. 65581. 79583. 75601. 04609. 68684. 63714. 13727. 12模 态26272829303132333435363738394041424344454647484950模 态 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99100频 率1875. 61878. 92011. 42030. 92034. 82045. 72053. 72062. 12064. 12065. 52068. 92080. 12084. 02085. 82091. 82102. 72117. 22141. 02144. 82163. 72173. 22179. 42179. 62180. 82238. 3模 态51525354555657585960616263646566676869707172737475图 9 第三阶模态图 8 第二阶模态第一阶模态图 7图 10 第四阶模态 图 11 第五阶模态 图 12 第十阶模态1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图第 5 期 杨宇军 :ANSYS 动力学仿真技术在航天计算机机箱结构设计中的应用 45图 14 第三十阶模态图 15第四十阶模态图 13 第二十阶模态图 17 第六十阶模态18第七十阶模态图 16 第五十阶模态图 19 第八十阶模态 图 20 第九十阶模态 图 21 第一百阶模态5 半正弦冲击响应分析(瞬态分析)航天电子设备冲击试验中经常采用的规范是50 g/ 11 ms 的半正弦冲击 ,曲线是以时间2加速度为坐 标轴给出的 。在 ANSYS5. 7 的瞬态分析中一种比较 可行的方法是转化为位移载荷的形式施加激励 ,这就 需要对原始的加速度半正弦按时间做两次积分 ,求得 相应的位移曲线。 公式 ( 1) 给出了积分后的位移函数。Disp = - 0. 000614sin (285. 45 t) + 0. 175 t 0 t 11 ms做冲击分析时 ,我们的做法是将受冲击方向的约 束全部放开 ,再将上面的位移函数以函数加载的方式 作为位移约束施加 。采用公式 ( 1) 的位移曲线模拟的 冲击过程与实际试验有所不同 。公式 ( 1) 在冲击结束 的瞬间 ,加速度为零 ,速度不再增加 ,但系统的位移还 在继续变化 ;而实际试验是冲击结束后 ,系统做有阻尼 自 由振动。还有一点 ,在这里需要指明的是 ,ANSYS5. 7 中的函数加载有两个选择角度还是弧度的按钮开 关 ,必须注意二者的实际效果与其字面意义相反 ,公式 ( 1) 是以弧度推导的 ,但在 ANSYS5. 7 中的函数加载 模块中必须将控制开关设为角度才能得到正确的分析 结果 ,这在 ANSYS6. 0 以后的版本中已经做了更正。对于电子设备的冲击响应 ,通常比较关心 PCB 的 板面响应 ,所以在计算结果的处理中 , 只保留了 PCB 模型的 SHELL63 单元和板面加强筋 B EAM188 单元。 图 22 为提取的单个 PCB 有限元模型 。图 23 至图 25 分别为三个轴向冲击的板面响应。 从图中可以看到 , 冲击方向垂直于 PCB板面时的响应最高峰值约为 78 g ,冲击方向平行于板面时的最高响应约为 70 g。6 随机振动分析 ( PSD分析)随机振动采用的是 ANSYS 中谱分析的 PSD 分析 功能。 就随机振动本身来说 ,其原始数学模型是以概 率理论为基础的 ,与其他分析不同 ,在力学上不是一个 能够定量分析的问题 ,但即使这样 ,还是能够从 AN2 SYS 的 PSD分析中获得一些定性的数据 ,而且就经验 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 46 电 子 机 械 工 程 第 19 卷图 22 PCB 的有限元模型 图 23 垂直于 PCB 板面的冲击响应图 24 平行于 PCB 板面的冲击响应 ( X)来说 ,其分析结果与试验结果吻合得较好。在航天计算机的振动试验中 ,最常见的随机振动 曲线如图 26 所示 ,曲线从 20 Hz2000 Hz ,20 Hz 量级 为 0. 01 g2/ Hz ,20 Hz 到 80 Hz 的上升斜率为 + 3 dB/ oct ,即 80 Hz 时为 0. 04 g2/ Hz ,80 Hz 到 350 Hz 为 0. 04图 25 平行于 PCB 板面的冲击响应 ( Y)g2/ Hz的平直谱 ,350 Hz 到 2000 Hz 以 - 3 dB/oct 的斜 率下降 ,其总均方根加速度为 Grms = 6. 08 g。 图 27 给 出了振动方向垂直于 PCB板面的响应云图 。由于整 机外部装有减振器 , PCB板面的最大响应加速度约 3 g ,仅为激励的 1/ 2。图 26 激励随机振动谱 图 27 垂直于 PCB 板面的随机振动响应7 结 论 析 ,可以得出以下结论 :( 1) 模态分析结果中前几阶模态的频率和振型与将 ANSYS 的仿真结果与试验数据做了比较分 减振器的固有特性吻合得十分精确 ;而 PCB 模态对应 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 5 期 杨宇军 :ANSYS 动力学仿真技术在航天计算机机箱结构设计中的应用 47的振动频率与试验测量值吻合得也比较准确 ,其它高 阶模态还需要借助于模态测量系统对整机测量分析后 才能做进一步的比较。 整机振动的前 5 阶模态以减振 器的振动为主 ,其中第 1 阶和第 5 阶为扭振 ,第 2、3、4 阶分别为三个轴向的平动 ,扭振的发生与整机重心位 置及减振器的安装位置密切相关 ,如果减小减振器的 安装平面位置与系统重心的相对尺寸 ,就可以避免扭 振的发生。总的来说 ,ANSYS 的模态分析功能已经为我们正 确选用减振器和优化减振器安装位置提供强有力的支持 ,而且对于如何合理改进 PCB 的抗振性设计也提供 了可靠的定性依据。(2) 这里所做的半正弦冲击分析的最大响应与理 论分析值及实际测量值吻合得较好。 在工程中由于空 间限制 ,在 PCB 上安装传感器十分不便 ,而且这对于要正式交付的产品也不允许 , 因而对于冲击试验的的动力学仿真分析对于提高产品的环境适应性起着举 足轻重的作用。 它不仅有助于在产品研发阶段寻求最 优化的解决方案 ,而且能明显缩短产品研制周期、降低 生产成本、确保产品质量 ,同时也产生了显著的经济效 益。参考文献 :1 朱伯芳 . 有限单元法原理和应用 M . 北京 :水利电力出版社 ,1979. 2 王勖成 , 邵敏 . 有限单元法基本原理和数值方法 M . 第二版 . 北京 :清华大学出版社 ,1997.3 徐灏 . 机械设计手册 M . 第一卷 . 北京 :机械工业出版社 ,1995. 4 戴诗亮 . 随机振动试验技术 M . 北京 :清华大学出版社. 5 GJB150A299 , 军用设备环境试验方法 S.PCB 板面响应 ,我们可以依据 ANSYS 的仿真分析做 一个比较准确的估计 ,有助于改进设计。(3) 所做的随机振动的加速度的最大均方根值与 实际测量值吻合得较好。综上所述 ,在航天电子产品设计过程中 ,机箱结构作者简介 :杨宇军 ( 1972 - ) ,男 ,辽宁沈阳人 ,工程 师 ,2002 年由 771 所委托西安电子科技大学培养的博 士研究生。 主要从事电子设备环境适应性设计技术的 研究与开发工作。(上接第 10 页)中天线装配机构实验的目的是测试用于空间装配的装 配机构 ,研究基本的太空机器人技术 ,实现在卫星上装 配天线。在实验中采用的 AAM 的锁定机构非常简单 ,仅 靠一个板弹簧驱动 ,可望有较长的使用寿命 。在一年 半内进行了 50 次拆卸和安装实验 ,AAM 的性能始终 如一 ,装配机构的精度达 0. 1 mm rms ,证明了借助于 AAM ,利用精度低的机器人就可实现空间天线装配 。 AAM 的机械强度证明其不仅能装配大型组装型天 线 ,还能装配其它组装型空间结构。4 结 论星载组装型天线兼备目前几种星载可展开天线的 优点 ,可实现大口径和高精度表面 ,不仅适用于高频通 信卫星 ,更适合于在空间站和人类行星基地上组建大 型高精度表面天线。 21 世纪人类将深入到太阳系 ,对 太阳系的其它行星和天体进行探测、开发和利用 ,使空 间造福于人类。 组装型天线无疑将具有不可估量的发展和应用潜力。此外 ,利用普通机器人通过天线装配机构安装天 线实验的成功 ,扩展了机器人的功能 ,也为天线工程界 在地面组装大型高精度天线提供了一种新思路和新途 径。参考文献 : 1 Large Deployable Antennas for Satellite Communication A . 2000 IEEE Antennas and Propagation Society Inter2national Symposium C ,2000 ,2 :528 - 529. 2 寇艳玲 . 日本星载天线的发展动向 J . 通信与测控 ,1999(4) .3 Mechanism for Assembling Antenna in Space A . IEEETrans C. On AES ,2001 ,37( 1) .作者简介 :寇艳玲 ( 1966 - ) ,女 ,陕西泾阳人 ,工程 师 ,主要从事天线技术文献检索与情报研究 ;高建军 ( 1957 - ) ,男 ,高级工程师 ,主要从事复合 材料应用研究。1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.