电子设备机械环境适应性及加固性设计

陈乃刚黄以明

（桂林长海发展有限责任公司广西桂林541001）

摘要：飞机作战性能的提升，作战环境的多元化，对电子设备的机械环境适应性进一步提高了要求。而在恶劣环境下，提高电子设备的生存能力，是现阶段设备结构设计需要积极关注的重点。据此，本文主要对电子设备机械环境的适应性与加固性设计进行了详细分析。

关键词：电子设备；机械环境；适应性；加固性设计

引言

随着作战环境的复杂化及飞机作战性能的提升，对安装在载机上的电子设备的环境适应性也提出了更高的要求，尤其是环境试验条件下，电子设备的试验严酷度远超过实际装机的环境条件;而另一方面，载机要求电子设备的重量越来越轻。因此结构设计时需要综合考虑各种环境条件对设备的影响，确保设备在实际环境条件下具有更高的可靠性和更长的使用寿命。根据作战任务及飞机机动性能的需要，不同飞机对安装于其上的电子设备提出的环境适应性要求也有所不同。通常小型歼击机及直升机上安装的电子设备需承受更为恶劣的机械环境条件，而运输机及小型无人机的环境条件则相对优越。结构设计应根据载机平台提出的环境条件针对性地采取相应措施，避免冗余设计或欠设计。

造成机载电子设备故障或失效的环境因素大致可分为3类:机械环境、气候环境及电磁环境。针对这几类影响因素，装机协调和分机结构设计时应对设备的环境适应性予以足够的重视，综合考虑设备散热、强度、减重、“三防”、电磁兼容等与设备环境适应性相关的因素，从产品质量和成本控制上都做好工作。

1机械环境适应性设计

机载电子设备需经历的机械环境试验主要有振动、冲击、加速度及炮击振动等，重点考核的是设备的结构强度及元器件的抗冲振耐受力。通常电子设备较易发生故障的试验环节是耐久振动和炮击振动，尤其是安装在翼尖和垂尾等处的设备，耐久振动时，均方根加速度通常都在20g左右，耐久振动时间长达5～6h。由于振动的疲劳效应和共振现象，电子设备在振动环境下可能出现电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至破坏的现象。据统计，引起机载电子设备故障的环境因素中，振动占27%。因此结构设计时应注重刚、强度设计及隔振缓冲措施，尽量避免应力过于集中，在重量最轻的前提下保证产品性能及可靠性。GJB150A中定义了不同载机的振动条件，飞机的环境技术要求中则详细规定了同一平台不同部位的振动量级和振动图谱，一般机头和前机身条件相对宽松，而后机身、垂尾和翼尖环境较为恶劣。为减小机械环境对电子设备可靠性的影响，在载机空间及重量允许的条件下，尽可能采用带隔振器的安装方式。例如一典型带隔振设备，安装架上带有隔振器和通风管，可以同时解决电子设备的振动和散热问题。需要注意的是，对于带有隔振器的设备，应注意隔振空间以及波导转换、供风管路等有刚、柔过渡段的可靠连接。对于垂尾、翼尖安装的设备，安装空间极其狭窄且重量限制严格，结构设计时应注重小型化、刚性化设计，提高设备的固有频率，同时应在设计前期进行结构动力学及静力学仿真分析。加速度环境适应性体现在装机要求上，就是除了分析设备在加速度过载时的结构静强度外，还应关注带有隔振器的设备在过载情况下不与其他设备发生碰撞，即隔振器的动刚度及设备最大动态位移应满足装机要求。

炮击振动仅针对装有航炮的飞机，以炮口为圆心，2m半径范围内的设备需考虑做炮振试验，2m半径外的设备一般不考虑。炮振试验的典型图谱是宽带随机振动叠加窄带随机峰，瞬间加速度响应可达几十或上百g，对设备的危害较大。装机协调时，应使敏感设备尽可能远离振源，远离蒙皮;设计初期要进行结构动力学分析，使电子设备或支架的固有频率避开炮击速率的基频、半频及其倍频，有条件的话，设备最好采用减振方式安装。

2电子设备的随机振动

2.1建立有限元模型

就精简原则来讲，在进行CAD建模时，利用软件对零部件进行简化并安装，通过三维模型数据交换格式，有效导入软件中去，在软件中对CAD模型通过十节点四面体单元进行网格划分。通过合理控制网格划分器的参数，保证模型内部与外部网格密度充分均匀，从而获得有限元模型。

2.2模态分析

所谓模态分析主要就是确定设计结构的既有频率和振动。通过模态分析，初步评估结构刚性。就模态仿真结果分析可知，电子设备的前9阶模态振动，就是模块印制板的弯曲振动。但是在第10阶，其固有频率是969.29Hz，振型是机箱与模块的弯曲振动。根据模态频率来讲，能够得知整机设备刚性相对较高，可知结构的抗变形能力也相对较好。

2.3随机振动响应分析

通过计算，获得系统模态，施加载荷，利用模态法进行详细分析，获得指定频率范围以内的响应。对模型进行随机振动刺激谱进行振动分析，以此获得系统垂直设备的加速分布和设备既定位置的加速相应曲线。其中，机箱与印制板在具体的冲击点位置上，会不断释放更多的能量，再加上印制板自身的加速量非常大，因此，增加一定的减振措施是非常有必要的。

2.4随机振动动应力分析和验证

一般随机振动应力会遵守高斯合理分布，因此，机箱强服应满足屈服极限和疲劳极限。电子设备垂直方向的随机振动应力最大点在安装孔的周围，就相关数据可知，机箱结构可以满足动强度的要求。

3电子设备的加固性设计

电子设备加固设计主要是为了提高外购件的环境适应性能力，以及电子设备薄弱环节的抗振、抗冲击能力。首先，应该根据相关标准，对电子设备的元器件和结构件进行温度环境、随机振动环境条件应力筛选，以此促使试验之后设备的抗振和抗冲击能力得到提高。其次，微波集成技术因为微波器件和高频组件在电容和电感分布上十分敏感，太过剧烈的振动冲击，势必会导致微波器件内部分布电参数产生一定的变化，利用这一技术进行固化，则能够有效改善其工作稳定性与效率。再次，针对机械结构，施加逆向预变形、预应力技术就是在受压构件上预加拉应力，确保构件在工作过程中，可以有效抵挡部分预应力，从而改善应力状况。

结构刚度加固在剧烈的振动和冲击等外部刺激和内部刺激的双重作用下，电子设备刚度设计应遵守以下设计原则，其一，在振动刺激频率的范围以内，层次结构不能出现有害结构谐振。其二，层次结构和连接刚度应该与二倍频规则相符。其三，与机电性能密切相联的模块或者组合，在任何情况下，发生结构变形，都不能导致电子设备的电讯功能出现下降或者失灵现象。其四，可折叠式或者可翻转式的连接结构，应及时消除结合位置的缝隙，防止出现附加冲击和机械结构噪音等不良现象。其五，显控台和机箱机柜的框架结构，应该设计成比较稳定的结构面积比较大的侧板和面板，底板内部应该增加加强筋，并配置充足的螺钉进行连接。其六，板的内部可以利用高阻尼板进行粘贴，从而有效控制共振，并大大降低噪声。

结语

综上所述，军用电子设备的环境适应性设计涉及面很广，需要解决的问题比较多，设计难度也比较大，但其作为军用电子设备主要的性能指标，以及提高设备可靠性、延长使用寿命的重要手段必须加以重视。应采用并行设计方法将环境适应性设计纳入到总体设计当中。环境适应性设计在设备的研制初期就和电路、结构设计同步进行，根据项目研制合同及设计方案积极采用先进技术和较成熟的工艺对设备进行设计。此外，实行定期检查和维修、积极收集以往产品环境适应性能力的各项数据也是提高后续军用电子设备环境适应性的一种好方法。

参考文献：

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