0 引　言

舰艇电子设备（如机柜、机箱、显控台）经常处于严酷的动载荷环境中，环境因素导致设备失稳率不低于50%，振动作用超过25%^{[1 − 3]}。设备失效会造成零件异常、电性能降低、疲劳损伤破坏，而冲击作用极易导致舰艇电子设备失效。因此，在设计阶段将设备的随机振动、颠震冲击作为关键考量因素，并通过相关试验检验设备强度、刚度及冲击特性至关重要^{[4 − 5]}。

国内外学者从不同方面、多层面对提高设备的环境适应性、可靠性和技术指标进行了大量工作。罗贤成等^[3]提出了基于整体法的电子机柜整体性机柜性能快速预测数值方法，对机柜进行整体化仿真求得电子机柜三向固有频率；Robin等^[6]对4种可靠性预报方法进行比较，得出冲击振动导致设备失稳的可能；李健等^[7]、牛峰等^[8]针对舰载试验环境中减振器的特性进行相关研究，规范支撑结构设计计算方法；左宇飞^[9]针对军用机箱开展了模态、振动分析工作，以确定装备机箱的抗振、避免共振；董梅^[10]通过改进优化机柜结构及加装筋板强化结构等措施来提高机柜强度和改善环境适应性；Shen等^[11]采用离散模型研究了设备单元间接触刚度，并提出了新的表征凹凸程度差异的分析参数；Zhai等^[12]探讨了粗糙度等的法向接触刚度作用；Buczkowski等^[13]基于分形策略求解接触面的法向接触刚度，且得到的数据与实验吻合较好。学者们应用先进的仿真试验技术，在轻量化材料应用、结构力学、关键部件等方面进行了多方面的创新，从而提升舰艇电子设备的结构性能和环境适应性效果；本文按照标准^{[14 − 16]}，通过有限元软件对某型多模态数据处理机箱进行了随机振动、正弦波、颠震和冲击试验仿真，获取其性能预报结果，可为舰船电子设备提供试验分析手段，实现结构性能优化。

1 研究对象

如图1(a)所示，本文研究对象是某多模态数据处理机箱，机箱整体由箱体、数据处理模块、转换插板、输出滑轨、刚性减震器等构成。箱体具有保护各模块的效果，外部载荷直接作用箱体，影响机箱整体的环境适应性及可靠性。某多模态数据处理机箱箱体结构主体采用ZL101A铸成，机箱底部减震器可与舰艇舱室相连。某多模态数据处理机箱箱体内的各模块用于实现机箱数据显示、处理、转换等功能性能，其通过固定螺钉、滑轨和特制定位板和箱体连接。计算区域使用笛卡尔坐标系：机箱正面由左向右为Ｘ正向；竖直向上为Y正向；由箱后向箱前为Z向正向。

2 性能预报准备

某多模态数据处理机箱机箱模块使用固定螺钉、特制定位板与箱体连接，机箱底部装有减震器4个。为提高某多模态数据处理机箱性能预报效率，保证各模块的质量配平，机箱模块合理简化成规则块。这样既能考虑机箱和各模块质量刚度，又能结合振动、颠震冲击等试验研究机箱结构性能，获得箱体主架构强度预报结果。由于机箱的结构较为复杂，为了提高预报效率，根据受力和工作模式精简模型，消除机箱模型中对预报结果影响小的倒角和非安装连接孔等复杂几何特征部分^[3]。

某多模态数据处理机箱精简模型分为3个部分。第1部分为空箱体、减震器、各个模块物体分离时使用的是无法向力的frictionless接触。因此，当外力发生改变时，不考虑摩擦作用，预报所得应力比实际高，工程上为高安全系数模型。第2部分为减震器，减震器可视为有阻尼弹簧，预报中结合实际把减震器视作刚性，把减震器等效载荷视作预报输入。第3部分为模块，各模块和固定螺钉螺纹接触位置采用bonded接触，在接触位置无法向的相对分离和切向的相对滑动，该种算法满足工程要求。机箱各单元材料见表1。

精简后的某多模态数据处理机箱抗拉强度为275 MPa，屈服极限为236 MPa，取安全系数为2，则许用应力为118 MPa。网格加密情况见图2。网格数为84万，节点数为142万。

3 计算结果分析

本文利用有限元软件对某多模态数据处理机箱试验预报，可以快速得到机箱不同工况的性能，为机箱设计和改进提供参考。

3.1 模态分析

某多模态数据处理机箱六阶固有频率预报如表2所示。图3为机箱六阶模态振型，一二阶为整体前后振动，三四阶为整体左右振动，五六阶为整体竖直振动。扫频及耐振分析着重机箱共振点的应力和形变。

3.2 随机振动分析

根据国军标，舰船随机振动参数如图4所示。对某多模态数据处理机箱随机振动预报：X向随机振动预报结果如图5所示，Y向随机振动预报结果如图6所示，Z向随机振动预报结果如图7所示。

上述振动仿真分析结果见表3，根据某多模态数据处理机箱随机振动预报可得，最大应力不超过82.61 MPa，分布在机箱面板连接处，低于2节中某多模态数据处理机箱的屈服极限（236 MPa），在允许范围内，同时该工况下的变形量不超过0.0139 mm，最大变形处位于机箱侧面通风板中部。预报结果表明，某多模态数据处理机箱结构强度可靠，满足设计要求。

3.3 谐波响应分析

图8给出正弦扫频的激励谱，X轴为频率f，Y轴为加速度振幅A。该谱施加在某多模态数据处理机箱的3个方向，正弦扫频区间是1～100 Hz，选取对数扫频，常值阻尼比是0.001^[17]。

图9～图11为某多模态数据处理机箱在外侧受力振子的方向正弦激振得到的加速度频响谱，在此条件下，外界激励频率为70 Hz时出现峰值，此时机箱的固有频率接近或等于外界激励频率发生共振，某多模态数据处理机箱的频响激励出现明显凸点，显示出应力集中的现象。

图12～图14所示为在某多模态数据处理机箱3个方向正弦激励（70 Hz）条件下得到的多模态数据处理机箱等效应力云图及预报结果，见表4。结果表明，机箱受到X方向的正弦激励时，其应力的最大值达到了47.01 MPa（机箱正面输出滑板边缘处），低于2节中某多模态数据处理机箱的许用应力（118 MPa），处于选用材料允许范围内。因此，某多模态数据处理机箱在承受三向正弦振激励的结构设计是有效可靠的。

按照耐振试验要求，试验振动应力等效于谐波响应的最大应力，某多模态数据处理机箱振动最大应力为47.01 MPa，满足强度设计要求。

3.4 颠震分析

颠震试验分析中，对某多模态数据处理机箱竖直方向冲击响应开展研究^[15]，激励条件如表5所示，波形为半正弦波。

激励函数（单位为mm/s²）为：

$ a=\begin{cases} 70\;000{\sin } \left(196.35\;{{t}}\right)，t\leqslant 0.016\;{\mathrm{s}}，\\ 0,t> 0.016\;{\mathrm{s}}。\\ \end{cases} $

按照工程经验，某多模态数据处理机箱激励的加速度幅值为7g，响应为5.5g，响应首波时长为68 ms，响应全长约为422 ms。外部激励为7g/16 ms，30 r/min。仿真中采用幅值5.5g、脉冲长度为68 ms的冲击载荷等效多模态数据处理机箱减震器的作用。

试验预报中使用模态叠加法求得某多模态数据处理机箱的响应。图15为某多模态数据处理机箱在竖直方向加速度载荷作用下的颠震应力响应云图，应力最大值为21.64 MPa，对照2节中的许用应力值可得，某多模态数据处理机箱在颠震仿真时长中应力极值低于机箱的许用应力，出现在机箱的侧面的通风板处。图16为某多模态数据处理机箱在竖直方向加速度载荷作用下的颠震位移云图，机箱最大位移为1.38 mm。研究表明，某多模态数据处理机箱在竖直加速度载荷影响下的设计是可靠的，满足舰船设备颠震试验要求。

3.5 冲击分析

按照国军标^[16]，某多模态数据处理机箱的垂向捶打试验中输入的加速度的周期为2 ms、峰值为100g的半正弦波，机箱底部输出为衰减的周期4 ms的近似正弦波，幅值为30g；机箱由4个圆型接口接入减震器，随着舰艇航行产生不同方向上的冲击，舰载装备通过模态叠加法进行瞬态预报。

垂向冲击试验应力分布如图17所示，某多模态数据处理机箱在承受垂向冲击时出现最大应力值47.48 MPa，某多模态数据处理机箱的最大应力低于机箱许用应力，各模块单元在受到垂向冲击时是可靠，满足结构设计的要求。

4 结　语

本文对某多模态数据处理机箱开展性能预报研究，开展预报模型的网格划分，根据国军标试验标准，确立预报的边载荷输入，完成模态分析、随机振动分析、谐波响应、颠震试验及冲击试验响应研究。其中，颠震试验分析及冲击试验响应研究是以舰艇电子设备实测响应数据作为输入 ^[3]开展仿真预报，输入条件考虑减振器衰减影响。某多模态数据处理机箱在3个方向施加随机振动时，形变最大处发生在侧面通风板位置；在施加正弦振动及开展冲击分析时，应力最大值出现在70 Hz时机箱正面输出滑板边缘位置；颠震分析中使用模态叠加法分析，发现应力最大值在机箱顶部滑板交界位置。

研究结果表明，在各种工况下整体没有受到破坏，抵抗冲击振动能力满足设计要求，具有较强的可靠性，下一步可考虑优化滑板和通风板结构。数字样机的仿真预报有利于装备结构优化，研制周期缩短，装备质量提升，对舰艇电子设备结构分析具有较高的指导价值。