摘要:

美针对特定电子机箱结构在车载环境中受到冲击载荷的作用产生疲劳破坏，运用ANSYS软件进行可靠性分析。首先对电子机箱进行模态分析，根据实际需要对模型提取了前6阶的固有频率，对振型进行分析，指出结构的薄弱环节，提出修改建议；接着根据国军标要求对电子机箱进行冲击实验的有限元仿真，得到了电子机箱在冲击条件下的应力和位移的变化情况，从而得到电子机箱在冲击条件下的可靠性各影响因素和消除方法。

关键词:电子机箱 冲击 可靠性 有限元

引言：
高技术战争越来越依赖于电子技术，为了满足电子系统的高度集成化要求，电子设备的结构设计广泛采用了箱式结构。这种结构造价低廉，安装简便，并且和插入组件易于配合。在野战环境中，装载于地面车辆上的电子设备必须保证电信号的战术和技术指标[1]。电子机箱作为电子元、器件的载体，其结构的机械性能将直接影响野战环境中电信号的传输以及电子系统的可靠性。而在车载的环境下，由于地面的凸凹不平，使结构受到振动冲击作用，从而使电子设备结构疲劳和强度下降，有文献报道了在一些雷达电子设备中冲击引起的故障约占振动引起故障的1/4 ，因此对结构进行冲击可靠性分析，是电子设备稳定可靠工作的保证。

1、电子机箱模态分析理论模型
模态是结构的固有特性。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。这些参数是下文进行冲击响应分析的起点和基础，这些模态参数可以由计算或实验分析取得。基于线性迭加原理，一个复杂的振动系统可以分解为许多模态的迭加，这样的一个分解过程称为模态分析。振动模态是弹性结构的固有、整体的特性。通过模态分析方法确定了结构在某一频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预测结构在此频段内在外部或内部各种振源的作用下的实际振动响应。实际计算中都将无限自由度换成多自由度体系，从而使自振频率计算得到简化。
有阻尼的自由体系的振动方程为[3]：

由于结构的阻尼比很小，进行模态分析时可以忽略阻尼的影响，因此，式（1）可改为：

假定多自由度体系的自由振动是简谐运动，运动方程（2）解的表达形式如下：

式中   是位移幅值向量，不随时间变化，只是振幅变化;α为相位角。
对（3）式取二次导数，得到自由振动的加速度

将式(3)和(4)代入式(2)，可以得到：

由于正弦项为任意的，消去后式（5）可变为：

上式是位移幅值{Y}的齐次方程。为了得到{Y}的非零解，应使系数行列式为零，即：

将行列式展开，可得到一个关于频率参数ω2的n次代数方程（n是体系自由度的次数）。求出该方程的n个根ω2,ω2…ω2即可得出体系的n个自振频率ω1,ω2,…ωn令{Yi}表示与频率ωi相应的主振型向量，将ωi和{Yi}代入式（7）得到：

令i=1,2,…,π,可得出n个向量方程，由此可求出n个主振型向量{Y1Y2…Yn}（即分别是结构的第一，第二......第n 阶主振型）。

2、电子机箱模态分析结果
如图1所示为发射组件的有限元的模型，而对于一般的结构振动而言，结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中较低阶的振型对结构的影响程度要高于高阶振型，因此主要由低阶振型决定结构的动态特性。由此在模态分析时计算了其前6阶固有频率及振型，能够较为全面的反映该模块的动态特性。如表1所示为前6阶的固有频率，图2所示a、b、c、d、e、f依次电子机箱的前6阶的振型云图。

从图2可知，电子机柜在振动时，主要为各隔板的弯曲变形，只有在3阶、6阶和时出现了扭转变形，各阶频率下电子机柜的最大变形量均出现为各隔板的中心部位，这些部位将会是组件在冲击振动时的最薄弱环节，所以在做响应分析时，这些部位将是我们重点考虑的部位。而越是靠近约束处的振幅就越小，所以可以考虑把重要或对振动敏感的元、器件靠近约束处放置。扭转振型常常也是电子机箱故障产生的原因，这些被忽略的或漏看的振型常常可以形成低频共振，振型本身引起很大的挠度和应力，从而降低了结构的疲劳寿命[2]。特别扭转和弯曲产生偶合，将会产生更大的危害。为此可以考虑加强或加厚底板和侧板，以防止扭转变形，另外隔板也可考虑加固加强处理。从而使电子机箱在振动和冲击条件下有更长的使用寿命。

3、冲击载荷的确立
当汽车驶过凸出或凹坑的路面时，可以简化为机柜从空中跌落与车底随时间接触产生碰撞的力学模型，因此对机柜的瞬态分析需要借助对整个机柜模型的分析。另外，在动力分析中，质量矩阵和加速度向量的乘积([M]{u})是分析控制方程中不可忽略的部分，模型的质量和质量分布对分析的结果有直接关系，因此用于瞬态分析的模型需要根据实际的质量分布和负载情况合理分配模型的质量。为了比较好的反映柜式结构所受到的冲击力，军方颁布了GJB150.18-86标准，详细的规定地面设备的冲击试验其脉冲为半正弦力脉冲波，幅值为30g，持续时间为llms[1]。其加速度模型见图3所示

用公式表示：
式中

可得冲击力的数学模型：

4、电子机箱冲击响应的分析结果
由模态分析结果可知，结构在冲击振动的时候，结构的薄弱环节主要出现在隔板的中间部位，由此主要考察各隔板的中间部位的应力应变随时间的变化，如图1所示的有限元模型中，从左到右的隔板依次命名为隔板1、隔板2、隔板3、隔板4和隔板5，取其中心进行应力和变形分析，得到如图4所示从左到右依次为隔板1到隔板5中心的应力变化过程。图5所示从左到右依次为隔板1到隔板5中心的位移变化过程。
由图4应力的变化过程可知,隔板3的应力值最大，隔板1次之，然后是隔板5、隔板2和隔板4，由应力的变化过程，可以得到，应力主要和重心位置和距离约束位置有关，同样的结构，越靠近重心处的应力越大。相同相对位置，距离约束位置不同的隔板应力也不相同。由图5位移变化过程可知，隔板的变形和约束及所处的位移有关，靠近约束处的位移较小，另外越是靠近板的中心处位移越大。另外重心的分布对支座反力有重要影响，靠近重心的支座反力是明显大于远离重心的支座反力，所以我们在设计电子机箱的时候，除了要考虑各板的强度和刚度外，要合理考虑重心的位移。另外底板也产生较大的变形，要进行加固处理。

5、结论
由于箱式结构造价低廉，安装简便，并且和插入组件易于配合等优点，使其在电子设备中广泛采用，但其结构特点及安装条件使其在动态环境中的低阶模态很活跃，所以在激振频率不算太高的车载振动环境中，被激发的冲击振动所引起的应力和变形也可将其破坏。文中针对特定了箱式结构，进行了模态分析，得到隔板是冲击振动的薄弱环节，振幅最大值出现在隔板的中心部位，应加固处理。另外结构出现了低频扭转振动，这些被忽略的或漏看的振型常常可以形成低频共振，特别扭转和弯曲产生偶合，将会产生更大的危害。为此可以考虑加强或加厚底板和侧板，以防止扭转振动。由冲击响应分析结果可知应力和重心和距离约束位置有关，位移和约束及所处在板的位移有关，越是靠近约束变形越小，越是处在板的中心位置变形越大，另外支座反力和重心有关，所以设计时重心最好落于几何中心，从而使各支座反力的大小相等或相近。

参考文献:

[1] 陈酋．电子机柜结构设计的方案优化[D]．南京：东南大学硕士学位论文．2003
[2] 鲁守来,季馨译．电子设备振动分析[M]．南京：南京工学院241教研组．1983
[3] 李德葆．振动模态分析及其应用[M]．宇航出版社．1989(8)
[4] 刘涛，杨凤鹏．精通ANSYS[M]．清华大学出版社．2002(9)
[5] 刘国庆，杨庆东．ANSYS工程应用教程机械篇[M]．中国铁道出版社．2003(1)
[6] 博嘉科技．有限元分析软件ANSYS融会与贯通[M]．中国水利水电出版社．2002(11)
[7] 程诗叙．印制电路板与集成电路组件的模态分析及振动可靠性研究[D]．电子科技大学硕士学位论文．2005：1-64