機(jī)載電子設(shè)備后矩形連接器裂紋故障分析及仿真驗(yàn)證

引言

眾所周知,機(jī)載電子設(shè)備功能復(fù)雜強(qiáng)大,是飛機(jī)的重要組成部分。但機(jī)載電子設(shè)備在日常飛行以及作戰(zhàn)過(guò)程中經(jīng)常受到各種各樣的振動(dòng)、沖擊等載荷,如果機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)力較差,在遇到極其惡劣的天氣環(huán)境時(shí)則容易受到損害,所以機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)力的強(qiáng)弱會(huì)直接影響飛機(jī)戰(zhàn)斗力的強(qiáng)弱:且以往的事例表明,機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)的故障有40.以上是由機(jī)械振動(dòng)引起的。

可見(jiàn),只有有效提高機(jī)載電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力,才能有效提高飛機(jī)的戰(zhàn)斗力水平,這也是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)我國(guó)機(jī)載電子產(chǎn)品提出的必然要求。因此,有必要在工程設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行控制,優(yōu)化結(jié)構(gòu)薄弱部位,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠工作和優(yōu)良?jí)勖?

機(jī)載電子設(shè)備一般安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜/機(jī)架內(nèi),其內(nèi)部一般都含有精密的電子部件和較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),在機(jī)柜/機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要進(jìn)行專門的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。一種成熟的機(jī)載電子產(chǎn)品通過(guò)了調(diào)試和例行試驗(yàn),但在振動(dòng)試驗(yàn)完成后進(jìn)行外觀自檢時(shí),發(fā)現(xiàn)該機(jī)載電子設(shè)備的后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體下沿出現(xiàn)裂紋。

1故障現(xiàn)象

機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行功能振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)方向分別為X、Y、Z。該機(jī)載電子設(shè)備在做試驗(yàn)過(guò)程中各項(xiàng)功能指標(biāo)正常,但在后續(xù)的自檢過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體的下沿出現(xiàn)不同程度的裂紋。

1.1故障分析

首先對(duì)故障進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)(確認(rèn)整個(gè)過(guò)程中,托架安裝緊固,無(wú)松動(dòng)情況:加電后矩形電纜安裝緊固,無(wú)松動(dòng)情況)。

(1)使用原托架與備件產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗(yàn),產(chǎn)品上加裝傳感器監(jiān)控振動(dòng)情況,振動(dòng)X方向與Z方向,產(chǎn)品頻率小于100%z,與第4個(gè)定頻83%z疊加,振動(dòng)位移噪聲大,出現(xiàn)"鐺鐺鐺"的金屬磕碰聲音。

(2)使用新托架與備件產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗(yàn),產(chǎn)品上加裝傳感器監(jiān)控振動(dòng)情況,振動(dòng)X方向與Z方向,設(shè)備固有頻率在160%z左右,振動(dòng)位移噪聲小。

綜上,發(fā)現(xiàn)原托架與新托架相比,在振動(dòng)時(shí)整體設(shè)備的固有頻率降低,與第4個(gè)定頻疊加,會(huì)造成產(chǎn)品產(chǎn)生很大的振動(dòng)量級(jí)。

1.2故障原因分析

(1)新托架振動(dòng)固有頻率大于100%z,振動(dòng)位移和噪聲較小:原托架的振動(dòng)一階固有頻率低于100%z,會(huì)和振動(dòng)激勵(lì)的第4個(gè)定頻83%z疊加,導(dǎo)致振動(dòng)位移和噪聲較大,從而造成后矩形連接器斷裂。

(2)原托架特征:后銷錐組件松動(dòng)、前掛鉤組件彈簧力度小、前后底座安裝孔變形、導(dǎo)向件破損,這些因素均對(duì)托架振動(dòng)特性有所影響。

(3)通過(guò)逐一更換原托架后彈簧銷、前插桿組件、前后底座,可以將固有頻率提升到正常水平,使振動(dòng)位移和噪聲降低,說(shuō)明此托架問(wèn)題不是某一個(gè)零件的影響,是因?yàn)橥屑荛L(zhǎng)時(shí)間使用,受力部位磨損,緊固性能變差,導(dǎo)致固有頻率降低。

結(jié)論:由于工裝托架長(zhǎng)時(shí)間使用,各部位出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨損,在振動(dòng)過(guò)程中,托架無(wú)法有效地固定產(chǎn)品,造成振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生位移,產(chǎn)品后矩形與加電后矩形電纜產(chǎn)品不合理碰撞,進(jìn)而導(dǎo)致后矩形連接器出現(xiàn)裂紋。

2強(qiáng)度仿真

為進(jìn)一步驗(yàn)證安裝架松動(dòng)是否會(huì)影響除后矩形連接器之外的其他結(jié)構(gòu)件,下面進(jìn)行了仿真分析。

該機(jī)載電子設(shè)備振動(dòng)環(huán)境的特點(diǎn)是在寬帶隨機(jī)上迭加了很強(qiáng)的振動(dòng)峰值,其振動(dòng)圖譜如圖1所示。

首先對(duì)后矩形連接器進(jìn)行了仿真分析,如表1所示。

從表1可看出,后矩形連接器施加向下的位移約束,最大受力部位在下腔體下表面,與裂紋位移一致。當(dāng)位移a.700時(shí),最大應(yīng)力小于材料的強(qiáng)度極限m4aMPa,有1.m3倍的安全余量:當(dāng)位移a.400時(shí),最大應(yīng)力與材料的強(qiáng)度極限接近,有斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。說(shuō)明后矩形安裝尺寸在±a.700內(nèi)受力正常,不會(huì)產(chǎn)生斷裂,若尺寸超過(guò)公差范圍,后矩形有斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

之后對(duì)整個(gè)機(jī)載電子設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行了正常及故障兩種狀態(tài)的仿真分析,如表2、表3所示。

由表2可知,正常安裝狀態(tài),結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力發(fā)生在前B型把手掛鉤上,為136MPa,此零件材料為鋁合金LY12-BCZYU,其疲勞強(qiáng)度為140MPa,最大應(yīng)力小于疲勞強(qiáng)度,滿足振動(dòng)要求。

印制板最大振動(dòng)變形為0.057mm,按照steinberg印制板元器件耐振動(dòng)變形經(jīng)驗(yàn)公式,印制板上元器件允許的最大振動(dòng)變形為0.28mm,印制板最大振動(dòng)變形小于允許值,滿足振動(dòng)要求。

由表3可知,故障狀態(tài)下,即在安裝架前后緊定松動(dòng),后矩形連接器約束情況下,結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力發(fā)生在機(jī)箱后矩形連接器,為515MPa,此零件材料為鋁合金LY12一BCZYU,其極限強(qiáng)度為420MPa,最大應(yīng)力大于極限強(qiáng)度,后矩形連接器結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生振動(dòng)失效。

印制板最大振動(dòng)變形為0.21mm,按照Steinberg印制板元器件耐振動(dòng)變形經(jīng)驗(yàn)公式,印制板上元器件允許的最大振動(dòng)變形為0.28mm,印制板最大振動(dòng)變形小于允許值,滿足振動(dòng)要求。

某機(jī)載電子設(shè)備在振動(dòng)試驗(yàn)完成后自檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體的下沿出現(xiàn)不同程度裂紋的故障問(wèn)題,通過(guò)實(shí)際的故障復(fù)現(xiàn)進(jìn)行了故障分析,然后利用強(qiáng)度仿真等對(duì)故障的原因以及后續(xù)可能造成的不良后果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。

以上仿真驗(yàn)證了在安裝架前后緊定松動(dòng)情況下,結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力發(fā)生在機(jī)箱后矩形連接器,其最大應(yīng)力超過(guò)材料極限強(qiáng)度,會(huì)發(fā)生振動(dòng)失效。此狀態(tài)下機(jī)箱內(nèi)部模塊最大振動(dòng)變形小于許用值,滿足振動(dòng)壽命要求,不會(huì)發(fā)生損傷。說(shuō)明安裝架前后緊定松動(dòng)狀態(tài)只會(huì)對(duì)后矩形連接器造成破壞影響,但不會(huì)影響到其他部件。

3結(jié)語(yǔ)

本文主要探討了某機(jī)載電子設(shè)備在振動(dòng)試驗(yàn)完成后自檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)后矩形連接器結(jié)構(gòu)框體的下沿出現(xiàn)不同程度裂紋的故障問(wèn)題,通過(guò)實(shí)際的故障復(fù)現(xiàn)進(jìn)行了故障分析,然后利用強(qiáng)度仿真等對(duì)故障的原因以及后續(xù)可能造成的不良后果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。