电路箱抗力学环境设计与分析报告.doc

目 录1概述12引用文件13设计要求13.1仿真输入条件13.1.1正弦振动13.1.2随机振动23.2抗力学设计要求24抗力学环境设计34.1抗力学环境设计原则34.2主结构设计34.3结构与星上结构件的连接设计45设计验证45.1模态分析及正弦频率响应分析65.1.1XXXX盒模态分析及正弦频率响应分析65.1.2 正弦响应分析85.1.3 随机响应分析96设计结果分析及结论101 概述为保证发射过程中所产生的剧烈振动、冲击及过载不对箱体及其内部电路板等元器件造成破坏，以及保证各块电路板在轨正常工作，必需进行必要的力学分析。本文根据试验考察的力学试验条件，进行了静力学加速度、模态分析及正弦频率响应分析。2 引用文件1、可靠性和环境试验规范 航天八院3 设计要求3.1 仿真输入条件3.1.1 正弦振动考察箱体在0YYYHz的频率响应点：表3.1 正弦振动输入条件扫描速度振动方向振动频率振动加速度2 oct/minX，Y5-YYHz10.35mmYY-MMMHz6gZ5-Hz11.18mmYY-MMMHz7.5g3.1.2 随机振动考察箱体的抗随机振动能力。表3.2 随机振动输入条件鉴定级频率范围（Hz）加速度功率谱密度总均方根加速度(grms)试验时 间振动方向201003dB/oct12.822 minX、Y、Z三轴向1006000.2g2/Hz60020009dB/oct3.2 抗力学设计要求电控箱共有四个耳片，通过四个M5的螺钉够定在卫星侧板上。XXXX盒内有电源板两块（125 mm *96 mm），驱动板一块（207mm*196mm），单片机板两块（207 mm *196 mm）,大底板一块（200 mm *208 mm）,测控板三块（207 mm *196 mm）。机箱内部大于15g的元器件具体图下表。表3.3 质量大于15g的元器件用于单机器件型号安装位置数量质量（g）材料安装方式XXXXDVMH28F侧板230金属封装用螺栓固定在铝板上，通过器件引脚引出导线并焊接到DCDC板上DVHF2812DF侧板230金属封装用螺栓固定在铝板上，通过器件引脚引出导线并焊接到DCDC板上DVHF2805SF侧板230金属封装用螺栓固定在铝板上，通过器件引脚引出导线并焊接到DCDC板上DVHF2815SF侧板230金属封装用螺栓固定在铝板上，通过器件引脚引出导线并焊接到DCDC板上SG117K侧板320金属封装通过器件引脚引出导线并焊接到Power板上，并通过螺栓固定4 抗力学环境设计4.1 抗力学环境设计原则抗力学环境设计主要是针对卫星发射升空过程中抗剧烈的冲击、振动、超重以及在轨工作失重状态下，合理设计结构确保设备安全可靠的到达指定工作轨道并正常工作。遵循的设计原则主要是：箱体的整体刚度达到设计要求，侧壁板及散热板选择恰当的厚度；具有适当余度的安装固定点；在箱体构型上结合利用空间最大化的原则设计；机械结构件之间连接的螺钉强度足够；电路箱的构型有：独立式、插拔式等多种。独立式是每一块或两块电路板做成一个XXXX盒，每个XXXX盒独立安装。优点是调试方便，缺点是如需电路板多，则单机数量较多。插拔式也适用于多块电路板，每块电路板先固定在独立的压条上组成电路板组件后，然后插入到箱体内的大底板的内部接插件上，这种形式又可分为两种子形式，一种对外接插件放在压条上，一种对外接插件放在大底板一侧的箱体面板上。这种形式便于各单板之间的数据交流，缺点是电路板两侧开放不利于力学性能。4.2 主结构设计XXX依据电路板之间信号传输路径最优化、结构空间利用最大化、单板调试便利等要求，箱体构型选择了插拔式。XXXX盒结构如图4.1所示。 图4.1XXXX盒结构4.3 结构与星上结构件的连接设计XXX与卫星上有四个安装点连接，孔为F6.50.1。安装脚为G类耳片，连接面及底角如下图所示：图4.2 XXXX盒安装面5 设计验证对系统进行力学分析，采用与实际结构相一致的有限元模型，通过对系统进行静力学、正弦和随机条件的分析，可以掌握系统各阶段主要模态的特性，了解系统的各阶振型，及时发现结构设计的薄弱之处，验证系统的抗振性能和结构设计的可靠性。采用实体建模后导入Ansys软件进行网格划分和力学分析。为提高计算效率，实体建模时，对不影响精度的倒角和安装孔等细节部分简化处理。整个模型共划分409832个网格节点，84070个单元。图5-1为XXXX盒电单机系统的网格划分情况。图5-1 XXXX盒网格划分情况模型中用到的材料属性见表5-1表5-1 计算过程中用到的材料属性值零件名称材料密度(kg/m3)杨式摸量（MPa）箱体LY12270071000印刷线路板FR-4208019700在计算过程中采用的坐标系与线路箱本身的坐标系不一致，坐标对应关系如表5-2所示表5-2XXXX盒坐标与软件坐标对应关系XXXX盒软件坐标XXYZZY5.1 模态分析及正弦频率响应分析5.1.1XXXX盒模态分析及正弦频率响应分析表5-3示出了系统结构分析结果的前十阶固有频率，一阶固有频率为145.12Hz，出现在X7线路板（主体测温板1）上，表现为板子中央部分的弯曲；二阶频率为150.36Hz，出现在X9线路板（主体测控板3）上，表现为板子中央部位的弯曲；三阶频率为161.42Hz，出现在X8线路板（主体测温板2）上，表现为板子中央部位的弯曲。前三阶对应的振形图如图5-2至图5-4所示。分析结果表明，系统基频大于要求的100Hz。表5-3 系统前10阶模态频率分布频率阶数12345678910频率(Hz)145.12150.36161.42177.87179.18227.14228.63234.98237.88238.96图5-2 XXXX盒一阶振形图图5-3 XXXX盒二阶振形图图5-4 XXXX盒三阶振形图5.1.2 正弦响应分析根据计算结果，XXXX盒最薄弱振动方向为X向正弦振动，最大应力和变形均出现在X向，最大应力为5.3MPa，发生在左电源板的螺钉固定处；最大变形为0.25mm，发生在X7线路板上。分析结果表明，XXXX盒在正弦振动条件下结构设计合理。图5-5XXXX盒X向正弦振动时的应力云图图5-6XXXX盒X向正弦振动时的形变云图5.1.3 随机响应分析在随机响应分析中，XXXX盒X向受到最大的应力为73.7MPa，发生在XXXX盒前面板1上，由于前面板上有上下两个配重块来模拟安装在上面的DC电源模块 重量，可能会引起应力过大，实际结果会更小；Y向受到的最大应力为19.2MPa，发生在XXXX盒底板的固定柱上；Z向受到的最大应力为75.3MPa，发生在XXXX盒的安装脚上。图5-7XXXX盒X向随机振动时的应力云图图5-7XXXX