某星载阵面电源分配器随机振动及冲击分析

胡文超，张 池

(合肥华耀电子工业有限公司，安徽 合肥 230009)

0 引言

星载阵面电源分配器的功能是将试验舱内的储能电池、平台母线提供的电源进行汇流并分配至各个功能模块，其可靠性至关重要，因而在研制阶段需要充分考虑其寿命周期内的各种力学环境[1]。阵面电源分配器需经历运输、发射等阶段不同的振动环境，为提高产品质量和产品可靠性、缩短设计周期、缩减研发经费，本文通过有限元法对阵面电源分配器进行随机振动及冲击分析，以验证其结构的可靠性。

1 阵面电源分配器构成

如图1所示，阵面电源分配器主要由壳体、上盖板、下盖板、电连接器以及印制板构成。

图1 阵面电源分配器组成

2 建立阵面电源分配器有限元模型

有限元分析通常包含离散化几何模型、添加单元截面特性和材料特性、施加载荷和边界条件、确定分析类型以及输出结果几个步骤。

2.1 离散化几何模型

有限元分析的第一步即是用有限的单元描述连续的几何体，将连续体人为地在内部和边界上划分节点，并以单元的方式逼近复杂的几何形状，即几何模型的离散化，单元和节点的集合称为网格。通常网格的数量越多、密度越大，计算的精度也越高，但当网格数量增加时分析所需的计算量及计算时间大大增加，对硬件的要求也越高，因此为了兼顾计算量与计算精度，在有限元建模时需要对结构进行必要的简化。针对本文中阵面电源分配器模型进行以下简化：①删除不影响结构的圆角、倒角和螺纹孔；②不考虑电连接器引针对结构的影响；③螺钉连接采用梁单元处理。

本文采用Hex Dominant进行网格划分，有限元模型如图2所示，划分完成后单元数量为231 608，节点数量为932 617。阵面电源实际安装坐标系中X轴与长边夹角为60°，Y轴与长边夹角为30°，Z轴通过右手定则确定。

图2 阵面电源分配器有限元模型

2.2 材料属性

阵面电源分配器壳体、上盖板、下盖板材料为铝板2A12-T4，印制板材料为覆铜环氧玻璃布板，各材料力学性能参数见表1。

表1 材料力学性能参数

2.3 边界条件及载荷条件

阵面电源分配器通过底部4个安装孔进行固定，其随机振动载荷见表2，冲击载荷见表3。

表2 阵面电源分配器随机振动载荷

表3 阵面电源分配器冲击载荷

3 模态分析

模态分析是所有振动分析的基础[2]，其目的是识别系统的模态属性，为结构的振动分析、故障诊断、优化设计等提供可靠依据。阵面电源分配器工作频率范围为10 Hz～2 000 Hz，因此提取2 000 Hz以内的模态。通过对阵面电源分配器4个安装孔进行固定约束，然后进行模态分析，得出阵面电源分配器的基频为1 203.1 Hz。阵面电源分配器2 000 Hz以内的模态振型图如图3所示。

图3 阵面电源分配器前4阶模态振型图

4 随机振动及冲击分析

对阵面电源分配器进行随机振动分析，设置阻尼比为0.03，随机振动条件见表2，得出壳体的最大3σ应力及3σ变形云图如图4所示。

图4 随机振动载荷下壳体最大3σ应力及3σ变形云图

对阵面电源分配器进行冲击分析，冲击载荷见表3，得出壳体的最大应力及变形云图，如图5所示。

通过图4和图5可知:在随机振动载荷下，壳体的最大3σ应力为34.72 MPa，最大3σ变形为0.036 mm；在冲击载荷下，壳体最大应力为203.34 MPa，最大变形为0.22 mm。

图5 冲击载荷下壳体最大应力及变形云图

根据星载产品机械设计要求，设计时应考虑其能承受的最大载荷(最大静、动力综合载荷)，设计载荷为鉴定载荷与最大安全系数的乘积。在设计实际载荷时，结构不应产生破坏，安全系数应按以下标准选取：

(1)对于屈服极限安全系数一般不小于1.20。

(2)对于破坏载荷安全系数一般不小于1.35。

对于屈服和强度极限载荷条件，设备结构部件应具有正的安全裕度，安全裕度的计算式为[3]：

(1)

其中：Ms为安全裕度；[σ]为屈服极限；σmax为最大应力；n为安全系数。

安全裕度应不小于表4中规定的数值。

表4 安全裕度数值

取安全系数为1.2，根据公式(1)计算得出壳体部件安全裕度为：

通过计算可知，壳体的安全裕度为0.13，最大3σ变形为0.22 mm，刚强度均满足使用环境的要求。

5 结论

本文详细介绍了某星载阵面电源分配器的有限元仿真分析过程，通过仿真分析得出了阵面电源分配器的最大应力及变形，验证了阵面电源分配器结构的可行性。