杭州应用声学研究所 吴 晗

现代航空电子设备需要在各种恶劣环境内工作，这要求舱内电子设备能经受大量值的振动和冲击，若其抗振动、冲击和加速度能力达不到要求，设备中的电路板会产生很大的应力和变形，导致器件和产品失效。因此，在开展航空电子设备产品设计时，进行动力学分析十分必要。

近年来有限元方法已经逐渐成为电子设备可靠性分析研究的有效手段，采用有限元软件进行电子设备结构动力学仿真并与实验结果相互验证，以进行参数识别和仿真结果的优化，已成为目前电子设备可靠性分析研究的主要方法。本文将通过某航空电子机箱的可靠性仿真分析，给出一种航空电子设备的可靠性分析方法，并和试验测试结果进行比较，完成产品的可靠性评估。

1 有限元方法

有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个数，且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以对复杂的模型进行求解。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点，是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，在一个问题的有限元分析中，未知函数或其导数在各个节点上的数值就成为了新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然，随着单元数目的增加（即单元尺寸的缩小），或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。

目前，有限元法的应用已有弹性力学平面问题拓展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题拓展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅助设计技术相结合。

2 动力学仿真分析

本次分析的产品为某机载ATR机箱。

产品整机外形尺寸376×199×293.4mm，重量为20kg。采用强迫风冷设计，抗振动设计。

产品包含机箱和DSP模块、数据管理模块、综合控制模块、配电模块、电源模块等9个模块，组成见表1。

表1 受试产品组成

产品外形如图1所示。

图1 机箱外形

2.1 模型建立

在不影响产品结构特性的前提下，在ANSYS Workbench、Simulation中对受试产品CAD数字样机进行必要的简化，具体简化原则如下：

（1）对重量大于5g的元器件进行建模；保留受试产品加强筋部件。

（2）不考虑所有对振动响应影响较小的结构，如连接件（如螺钉、电缆等）、尺寸较小的孔（如镀通孔、螺钉孔等）、凸台、尺寸较小的倒角等。

（3）电路板级模型是根据厂家提供的PCB文件而建立的。其中，PCB锁紧条去掉螺钉孔、圆角和倒角，保留原有接触面积不变，元器件采用等重量和等体积的质量块来等效简化。

结合产品CAD数字样机，并根据振动设计信息建立产品FEA数字样机如图2所示。

图2 受试产品FEA数字样机

2.2 模态分析

对产品进行模态分析，产品前3阶模态频率见表2，其对应的前3阶模态振型如图3所示。

图3 (a) 一阶整机模态振型

图3 (b) 二阶整机模态振型

图3 (c) 三阶整机模态振型

表2 受试产品模态频率及模态振型最大位置

2.3 随机振动分析

该型航空电子机箱实际装机环境为直升机，其振动图谱如图4所示，根据GJB150A相关指标进行条件设置，计算结果如下：

图4 振动图谱

随机振动加速度响应分析结果，如表3所示。

表3 振动位移响应分析结果及说明表

随机振动位移响应分析结果，如表4所示。

表4 振动位移响应分析结果及说明表

根据经验，加固机箱类产品在动力学设计中应满足最大加速度响应应小于50g，模块最大位移应小0.1mm，可见经过仿真产品的强度满足要求。

2.4 模态测试和仿真结果对比

使用模态振动测试仪，对设备的各模块在自由状态进行了一阶自由模态的实测，将实测结果与仿真结果进行对比，仿真模型使各模块在一阶自由模态下的结果与实测结果误差小于10%，证明仿真模型的误差较小，模型准确可靠。

对比结果如表5所示。

表5 各模块一阶模态固有频率试验结果与仿真分析结果对比（自由状态）

2.5 验证

该产品已在多个航空项目上使用，在实际使用中产品经过GJB150A的振动、冲击、加速度试验等可靠性试验验证，可靠性满足要求。

结束语：航空电子设备环境适应性要求越来越高，这对可靠性分析技术提出了更高的要求。而有限元法是高效且有效的分析手段，结合有限元分析软件，对产品的模型进行合理的简化和建模，对产品的各个危险工况进行仿真模拟，可对产品的设计进行评估，通过评估可以准确的找出产品的薄弱环节。

通过分析得到的结果，设计师可以对产品的结构进行优化设计，优化设计后再次通过仿真分析，可确认产品的结构强度是否得到提升，如此循环，从而逐步提高产品的可靠性。但是这样并不能快速的找到最优的设计结构，因此参数化设计结合拓扑优化是后续的研究方向。