基于workbench的某组件盒体的瞬态动力学仿真分析
本文摘要（由AI生成）：
本文主要研究了舰船设备的抗冲击、颠震能力对舰船战时生命力的影响，以及组件盒体作为舰载设备的关键结构件，其性能对雷达性能的影响。通过对某系列组件盒体进行动力学仿真分析，依据军用设备瞬态振动试验的标准，用时域瞬态分析法，结合国军标设计颠震和冲击输入谱，对其进行了抗颠震和抗冲击分析。结果表明，盒体的最大应力在盒体材料的抗拉强度范围之内，即盒体的抗冲击、抗颠震性能满足舰载设备的考核要求，该仿真结果可为组件盒体结构的优化设计提供参考。
摘要：舰船设备的抗冲击、颠震能力是决定舰船战时生命力强弱的重要因素。组件盒体作为舰载设备的关键结构件，其性能在很大程度上也决定了雷达的性能。本文对某系列组件盒体进行了动力学仿真分析，依据军用设备瞬态振动试验的标准，用时域瞬态分析法，结合国军标设计颠震和冲击输入谱,对其进行了抗颠震和抗冲击分析，仿真分析结果表明：盒体的最大应力在盒体材料的抗拉强度范围之内，即盒体的抗冲击、抗颠震性能满足舰载设备的考核要求，该仿真结果可为组件盒体结构的优化设计提供参考。
关键词：雷达；组件盒体；动力学仿真；瞬态振动试验
0 引言
舰船在服役期间，不可避免面临各种复杂的工作环境，不仅要遭受恶劣海况下波浪的冲击作用，在战斗过程中还将遭受远距离或近距离爆炸引起的海水脉动冲击作用。组件盒体是有源相控阵雷达天线的关键结构部件，其性能在很大程度上决定了雷达的性能，且其生产成本也很大程度上决定了有源相控阵雷达的推广应用前景[1]，因此质量合格、设计合理的组件盒体抗冲击能力对保障舰船战斗力和生命力具有重要意义，因此必然要对其通过高强度瞬态振动试验（如颠震、冲击试验）的考核和评估，才能成为有源相控阵雷达的理想部件。
考虑到瞬态振动试验成本高、周期长，且对试验件造成损坏的可能性较大，故从节约成本、时间的角度考虑出发，基于时域模拟法对某系列组件盒体进行了动力学仿真，并将其仿真结果进行了对比，分析结果表明：组件盒体材料的最大承受应力在盒体的抗拉强度范围之内，说明该系列组件盒体满足抗颠震、冲击的试验要求；和已通过瞬态振动试验的12通道组件盒体进行对比，6通道组件盒体的最大应力变形响应均小于12通道，说明6通道组件盒体在刚强度性能上优于12通道的组件盒体，因此6通道组件盒体可以通过瞬态振动试验的考核。
1 振动数学模型
在NX软件中对组件盒体进行三维建模，忽略螺纹孔，倒角，密封槽等对算例结果影响微小的细节特征[2]，对导向销位置进行垂直方向的位移约束，对底面螺纹孔进行固定约束。安装在盒体内的电子元器件用质量点表示；两种组件盒体均选用一种材料，对应材料系数为：抗拉强度σb>=250MPa，密度 ρ=2770kg/m3，泊松比μ=0.33，杨氏模量E=71000MPa；6通道组件盒体质量约小于12通道盒体质量1.7kg，图1、2分别为6通道、162通道的盒体组件简化后的三维模型。
图1简化后的6通道组件盒体三维模型
图2 简化后的12通道组件盒体三维模型
2 仿真算例分析
2.1 颠震分析计算
舰船电子设备在作战、航行时避免不了会受到由波浪拍击引起的重复性低强度冲击，虽然引起的冲击响应持续时间短，强度低，但发生次数较多，很可能会对结构件及电子设备的功能性造成一定的影响。以TR组件为例，在受到海浪的连续拍击作用时，由于自身重量和电子元器件的重量产生的惯性力可能使得组件系统产生颠震响应，并产生变形，因此检测组件在颠震状态下的工作适应性和结构完好性显得极其重要。
参照《GJB4.8-83舰船电子设备环境试验——颠震试验》，即文献3里规定的水面舰船在受到由波浪引起的重复性低强度冲击环境可知，组件设备属于水面舰船及安装在舰船上的设备，应选用2级试验标准作为参考，具体的模型激励载荷如表3.1所示：
表1 颠震环境的激励条件
|
等级 |
颠震加速度幅值（g） |
冲击持续时间（ms） |
|
2 |
7 |
＞16 |
颠震试验台所产生的冲击脉冲波形应为比较光滑的近似半正弦波。根据实际试验中的波形状况，这里用三角波模拟近似的半正弦波，图3为等效的三角形时域曲线颠震条件。
图3等效的三角形时域曲线颠震条件
根据表1提供的数据，这里设t1=8e-3，t2=1.6e-2，A1=70
图4 6通道组件盒体颠震应力及变形云图
由图4可知，6通道的TR组件所受最大应力为3.5MPa，靠近约束底面位置；最大变形为0.01mm，在组件中心位置。
图512通道组件盒体颠震应力及变形云图
由图5可知，12通道的TR组件所受最大应力为10.1MPa，发生在导向销位置；最大变形为0.03mm，在组件中心位置。
表2 组件盒体最大应力的对比
|
通道数 |
应力（MPa） |
变形（mm） |
|
|
6 |
3.5 |
0.01 |
|
|
12 |
10.1 |
0.03 |
|
|
变化率 |
65% |
67% |
|
由表2的对比结果可发现，两种组件的最大应力、变形均远小于材料的抗拉强度，故均在安全范围之内，符合抗颠震的实验要求。6通道的TR组件盒体最大应力、变形均小于12通道，且相差幅度都比较大，说明在颠震分析时，6通道TR组件的刚强度性能强于12通道，故安全系数更高。
2.2 冲击分析计算
舰船在服役期内可能遇到来自非接触爆炸或接触爆炸引起的冲击作用，而水下非接触爆炸引起的冲击破坏更为严酷，其破坏力会导致电子设备无**常运转，甚而至于失去战斗力。以TR组件为例，在受到水下非接触爆炸的时域冲击载荷时，由于自身重量和电子元器件的重量产生的惯性力使得组件系统产生冲击响应，并产生变形，因此增强有源相控阵雷达天线的抗冲击性能已成为新型舰船的迫切需要。
根据《GJB1060.1-91舰船环境条件要求：机械环境》依据文献[4-5]，安装区域的冲击响应谱如下所示:
式（1）中的A0、V0和D0分别是模型对应的冲击谱中的等加速度谱、等速度谱和等位移谱。加速度可用双三角时域曲线如图6表示。计算得到的3方向时域冲击参数如表2所示，计算冲击响应谱如表2所示。
表2 冲击响应谱
|
方向 |
等加速度谱A0(m/s2) |
等加速度谱V0(m/s) |
等位移谱 D0(m) |
|
垂向 |
687 |
1.52 |
0.053 |
|
横向 |
275 |
0.6 |
0.045 |
|
纵向 |
137 |
0.6 |
0.045 |
图6等效的双三角形时域曲线冲击条件
算例使用时域瞬态分析法[6]，将所对应方向的冲击谱分别作用于垂向、纵向、横向3方向上，计算3方向冲击载荷作用下的应力和变形。
图7 6通道组件盒体垂向、横向、纵向冲击应力及变形云图
由图7可知，垂向冲击时，6通道的组件所受最大应力为19.7MPa，靠近约束底面位置；最大变形为0.07mm，在组件中心位置；横向冲击时，所受最大应力为4.3MPa，靠近约束底面位置；最大变形为0.002mm，在组件中心位置。纵向冲击时，所受最大应力为0.8MPa，靠近导向销位置；最大变形为3e-4mm，在组件左侧位置。
图8 12通道组件盒体垂向、横向、纵向冲击应力及变形云图
由图8可知，垂向冲击时，12通道的TR组件所受最大应力为83.8MPa，在导向销位置；最大变形为0.3mm，在组件中心位置；横向冲击时，所受最大应力为7.1MPa，在导向销位置；最大变形为0.04mm，在导向销位置；纵向冲击时，所受最大应力为2.8MPa，在导向销位置；最大变形为8e-4mm，在组件右侧位置。
表3 组件盒体最大应力的对比
|
通道数 |
垂向变形 （mm） |
横向变形（mm） |
纵向变形（mm） |
垂向应力 （MPa） |
横向应力（MPa） |
纵向应力（MPa） |
|
|
6 |
0.07 |
0.002 |
3e-4 |
19.7 |
4.3 |
0.8 |
|
|
12 |
0.3 |
0.04 |
8e-4 |
83.8 |
7.1 |
2.8 |
|
|
变化率 |
77% |
95% |
63% |
76% |
39% |
71% |
|
由表3的对比结果可发现，两种组件的最大应力、变形均小于材料的抗拉强度，均在安全范围之内，符合抗冲击的实验要求。6通道的组件盒体最大应力、变形均小于12通道，且相差幅度很大，说明在冲击状况下，6通道的组件盒体刚度、强度均强于12通道，6通道的组件盒体安全性能更高。
3 结束语
本文对某系列组件盒体进行了动力学仿真，首先用NX软件对6通道、12通道的组件盒体进行三维建模，后导入workbench后处理模块中。采用时域分析法进行了抗颠震、冲击仿真分析。对比仿真的结果，发现两者的最大应力、变形都在所选材料的抗拉强度安全范围之内，所以都符合结构刚强度设计要求；6通道的组件盒体最大应力、变形都小于16通道，说明论刚强度方面，论安全性能，6通道强于12通道，6通道可以通过瞬态振动试验的考核。
参考文献：
[1] 张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：科学出版社，2006
[2] 闻邦春，顾家柳，夏松波，等.高等转子动力学：理论、技术及应用[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3] GJB4.8-83 舰船电子设备环境试验——颠震试验[S]，1983.
[4] GJB150.18-86 军用设备环境试验方法——冲击试验[S].
[5] 姜涛，王伟力，黄雪峰，等.舰艇抗冲击设计中正负三角波冲击谱分析与应用[J].海军航空工程学院学报，2010，25(2)：145-148.
[6] 张影.船用齿轮箱抗冲击计算方法分析[D].哈尔滨工程大学，2010.3.
