摘要：艦船設(shè)備的抗沖擊、顛震能力是決定艦船戰(zhàn)時(shí)生命力強(qiáng)弱的重要因素。組件盒體作為艦載設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其性能在很大程度上也決定了雷達(dá)的性能。本文對(duì)某系列組件盒體進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，依據(jù)軍用設(shè)備瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，用時(shí)域瞬態(tài)分析法，結(jié)合國(guó)軍標(biāo)設(shè)計(jì)顛震和沖擊輸入譜,對(duì)其進(jìn)行了抗顛震和抗沖擊分析，仿真分析結(jié)果表明：盒體的最大應(yīng)力在盒體材料的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi)，即盒體的抗沖擊、抗顛震性能滿足艦載設(shè)備的考核要求，該仿真結(jié)果可為組件盒體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；組件盒體；動(dòng)力學(xué)仿真；瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn) 

0 引言

  艦船在服役期間，不可避免面臨各種復(fù)雜的工作環(huán)境，不僅要遭受惡劣海況下波浪的沖擊作用，在戰(zhàn)斗過(guò)程中還將遭受遠(yuǎn)距離或近距離爆炸引起的海水脈動(dòng)沖擊作用。組件盒體是有源相控陣?yán)走_(dá)天線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其性能在很大程度上決定了雷達(dá)的性能，且其生產(chǎn)成本也很大程度上決定了有源相控陣?yán)走_(dá)的推廣應(yīng)用前景^[1]，因此質(zhì)量合格、設(shè)計(jì)合理的組件盒體抗沖擊能力對(duì)保障艦船戰(zhàn)斗力和生命力具有重要意義，因此必然要對(duì)其通過(guò)高強(qiáng)度瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)（如顛震、沖擊試驗(yàn)）的考核和評(píng)估，才能成為有源相控陣?yán)走_(dá)的理想部件。

  考慮到瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，且對(duì)試驗(yàn)件造成損壞的可能性較大，故從節(jié)約成本、時(shí)間的角度考慮出發(fā)，基于時(shí)域模擬法對(duì)某系列組件盒體進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并將其仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析結(jié)果表明：組件盒體材料的最大承受應(yīng)力在盒體的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi)，說(shuō)明該系列組件盒體滿足抗顛震、沖擊的試驗(yàn)要求；和已通過(guò)瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)的12通道組件盒體進(jìn)行對(duì)比，6通道組件盒體的最大應(yīng)力變形響應(yīng)均小于12通道，說(shuō)明6通道組件盒體在剛強(qiáng)度性能上優(yōu)于12通道的組件盒體，因此6通道組件盒體可以通過(guò)瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)的考核。

1 振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

在NX軟件中對(duì)組件盒體進(jìn)行三維建模，忽略螺紋孔，倒角，密封槽等對(duì)算例結(jié)果影響微小的細(xì)節(jié)特征^[2]，對(duì)導(dǎo)向銷位置進(jìn)行垂直方向的位移約束，對(duì)底面螺紋孔進(jìn)行固定約束。安裝在盒體內(nèi)的電子元器件用質(zhì)量點(diǎn)表示；兩種組件盒體均選用一種材料，對(duì)應(yīng)材料系數(shù)為：抗拉強(qiáng)度σ_b>=250MPa，密度 ρ=2770kg/m³，泊松比μ=0.33，楊氏模量E=71000MPa；6通道組件盒體質(zhì)量約小于12通道盒體質(zhì)量1.7kg，圖1、2分別為6通道、162通道的盒體組件簡(jiǎn)化后的三維模型。

                                                                         圖1簡(jiǎn)化后的6通道組件盒體三維模型

                                                                           圖2 簡(jiǎn)化后的12通道組件盒體三維模型

2 仿真算例分析

2.1 顛震分析計(jì)算

艦船電子設(shè)備在作戰(zhàn)、航行時(shí)避免不了會(huì)受到由波浪拍擊引起的重復(fù)性低強(qiáng)度沖擊，雖然引起的沖擊響應(yīng)持續(xù)時(shí)間短，強(qiáng)度低，但發(fā)生次數(shù)較多，很可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件及電子設(shè)備的功能性造成一定的影響。以TR組件為例，在受到海浪的連續(xù)拍擊作用時(shí)，由于自身重量和電子元器件的重量產(chǎn)生的慣性力可能使得組件系統(tǒng)產(chǎn)生顛震響應(yīng)，并產(chǎn)生變形，因此檢測(cè)組件在顛震狀態(tài)下的工作適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)完好性顯得極其重要。

參照《GJB4.8-83艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)——顛震試驗(yàn)》，即文獻(xiàn)3里規(guī)定的水面艦船在受到由波浪引起的重復(fù)性低強(qiáng)度沖擊環(huán)境可知，組件設(shè)備屬于水面艦船及安裝在艦船上的設(shè)備，應(yīng)選用2級(jí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作為參考，具體的模型激勵(lì)載荷如表3.1所示：

表1 顛震環(huán)境的激勵(lì)條件

等級(jí)	顛震加速度幅值（g）	沖擊持續(xù)時(shí)間（ms）
2	7	＞16

顛震試驗(yàn)臺(tái)所產(chǎn)生的沖擊脈沖波形應(yīng)為比較光滑的近似半正弦波。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)中的波形狀況，這里用三角波模擬近似的半正弦波，圖3為等效的三角形時(shí)域曲線顛震條件。

                                                                              圖3等效的三角形時(shí)域曲線顛震條件

根據(jù)表1提供的數(shù)據(jù)，這里設(shè)t1=8e-3，t2=1.6e-2，A1=70

                                                                               圖4  6通道組件盒體顛震應(yīng)力及變形云圖

由圖4可知，6通道的TR組件所受最大應(yīng)力為3.5MPa，靠近約束底面位置；最大變形為0.01mm，在組件中心位置。

                                                                              圖5  12通道組件盒體顛震應(yīng)力及變形云圖

由圖5可知，12通道的TR組件所受最大應(yīng)力為10.1MPa，發(fā)生在導(dǎo)向銷位置；最大變形為0.03mm，在組件中心位置。

表2   組件盒體最大應(yīng)力的對(duì)比

通道數(shù)	應(yīng)力（MPa）	變形（mm）
6	3.5	0.01
12	10.1	0.03
變化率	65%	67%

由表2的對(duì)比結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，兩種組件的最大應(yīng)力、變形均遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度，故均在安全范圍之內(nèi)，符合抗顛震的實(shí)驗(yàn)要求。6通道的TR組件盒體最大應(yīng)力、變形均小于12通道，且相差幅度都比較大，說(shuō)明在顛震分析時(shí)，6通道TR組件的剛強(qiáng)度性能強(qiáng)于12通道，故安全系數(shù)更高。

2.2 沖擊分析計(jì)算

 艦船在服役期內(nèi)可能遇到來(lái)自非接觸爆炸或接觸爆炸引起的沖擊作用，而水下非接觸爆炸引起的沖擊破壞更為嚴(yán)酷，其破壞力會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚而至于失去戰(zhàn)斗力。以TR組件為例，在受到水下非接觸爆炸的時(shí)域沖擊載荷時(shí)，由于自身重量和電子元器件的重量產(chǎn)生的慣性力使得組件系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊響應(yīng)，并產(chǎn)生變形，因此增強(qiáng)有源相控陣?yán)走_(dá)天線的抗沖擊性能已成為新型艦船的迫切需要。

根據(jù)《GJB1060.1-91艦船環(huán)境條件要求：機(jī)械環(huán)境》依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]，安裝區(qū)域的沖擊響應(yīng)譜如下所示:

式（1）中的A₀、V₀和D₀分別是模型對(duì)應(yīng)的沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。加速度可用雙三角時(shí)域曲線如圖6表示。計(jì)算得到的3方向時(shí)域沖擊參數(shù)如表2所示，計(jì)算沖擊響應(yīng)譜如表2所示。

表2   沖擊響應(yīng)譜

方向	等加速度譜A0(m/s2)	等加速度譜V0(m/s)	等位移譜 D0(m)
垂向	687	1.52	0.053
橫向	275	0.6	0.045
縱向	137	0.6	0.045

                                                                              圖6等效的雙三角形時(shí)域曲線沖擊條件

算例使用時(shí)域瞬態(tài)分析法^[6]，將所對(duì)應(yīng)方向的沖擊譜分別作用于垂向、縱向、橫向3方向上，計(jì)算3方向沖擊載荷作用下的應(yīng)力和變形。

                                                                              圖7  6通道組件盒體垂向、橫向、縱向沖擊應(yīng)力及變形云圖

由圖7可知，垂向沖擊時(shí)，6通道的組件所受最大應(yīng)力為19.7MPa，靠近約束底面位置；最大變形為0.07mm，在組件中心位置；橫向沖擊時(shí)，所受最大應(yīng)力為4.3MPa，靠近約束底面位置；最大變形為0.002mm，在組件中心位置。縱向沖擊時(shí)，所受最大應(yīng)力為0.8MPa，靠近導(dǎo)向銷位置；最大變形為3e-4mm，在組件左側(cè)位置。

                                                                             圖8  12通道組件盒體垂向、橫向、縱向沖擊應(yīng)力及變形云圖

    由圖8可知，垂向沖擊時(shí)，12通道的TR組件所受最大應(yīng)力為83.8MPa，在導(dǎo)向銷位置；最大變形為0.3mm，在組件中心位置；橫向沖擊時(shí)，所受最大應(yīng)力為7.1MPa，在導(dǎo)向銷位置；最大變形為0.04mm，在導(dǎo)向銷位置；縱向沖擊時(shí)，所受最大應(yīng)力為2.8MPa，在導(dǎo)向銷位置；最大變形為8e-4mm，在組件右側(cè)位置。

表3 組件盒體最大應(yīng)力的對(duì)比

通道數(shù)	垂向變形 （mm）	橫向變形（mm）	縱向變形（mm）	垂向應(yīng)力 （MPa）	橫向應(yīng)力（MPa）	縱向應(yīng)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
變化率	77%	95%	63%	76%	39%	71%

由表3的對(duì)比結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，兩種組件的最大應(yīng)力、變形均小于材料的抗拉強(qiáng)度，均在安全范圍之內(nèi)，符合抗沖擊的實(shí)驗(yàn)要求。6通道的組件盒體最大應(yīng)力、變形均小于12通道，且相差幅度很大，說(shuō)明在沖擊狀況下，6通道的組件盒體剛度、強(qiáng)度均強(qiáng)于12通道，6通道的組件盒體安全性能更高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某系列組件盒體進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，首先用NX軟件對(duì)6通道、12通道的組件盒體進(jìn)行三維建模，后導(dǎo)入workbench后處理模塊中。采用時(shí)域分析法進(jìn)行了抗顛震、沖擊仿真分析。對(duì)比仿真的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者的最大應(yīng)力、變形都在所選材料的抗拉強(qiáng)度安全范圍之內(nèi)，所以都符合結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；6通道的組件盒體最大應(yīng)力、變形都小于16通道，說(shuō)明論剛強(qiáng)度方面，論安全性能，6通道強(qiáng)于12通道，6通道可以通過(guò)瞬態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)的考核。

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