车载卫星通信系统振动设计与分析(1)

车载卫星通信系统振动设计与分析摘要：介绍了车载卫星通信系统振动产生的原因，并结合振动理论，着重分析了进行车载卫星通信系统振动设计的途径与方法，有助于提高系统的抗振能力。关键词：固有频率；结构谐振；加固设计；振动隔离；振动试验1前言车载卫星通信系统主要由三部分组成：一是前端天线系统设备，包括天线、馈线、以及天线座与传动系统；二是电子设备部分，包括接收、发射和信道等；三是运输载体和系统保障设备，包括车辆、方舱、电源和空调等。这些设备在运输和使用过程中，由于内外因素的影响，会产生振动。产生振动的原因主要有：·运输状态下，路面的不平整性引起各设备的上下、前后、左右多方向的振动；·工作状态下，天线系统的结构谐振；·工作状态下，风载造成的天线激振；·包括电源、空调、风机在内的各有源设备工作时的自主振动。其中前两个因素对系统的电讯性能以及系统的稳定性影响最大，容易引起设备的破坏。其现象大致分两类：·结构与工艺性破坏，如结构件的疲劳、断裂、磨损、连接件的松动、分离等；·功能与性能性破坏，包括工作失灵、性能降低以及超出容差范围等。为此，对车载卫通系统的振动进行控制和分析十分必要。由于保障设备一般由专业厂家提供，所以着重探讨天线系统与电子设备的抗振设计，并从振源的控制、结构的加固设计、设备的减振隔振、试验的验证等四方面进行分析。2设计与分析2.1改善运输环境，控制振源在运输状态下，公路运输环境最为恶劣，因此，以公路运输环境来作为系统的运输环境。公路运输环境是一种宽带振动，它是由于车体的支承、结构与路面平度的综合作用产生的。车体在上下、前后、左右方向上同时存在不同的振动，而上下方向的振动量又最为严重〔1〕〔2〕。所以，运输环境下着重分析设备上下方向的振动。在公路运输状态下，振源的形成主要来自于路面，它是路面状况与行驶速度的函数〔3〕〔4〕。在该状态下，系统的振动模型如图1所示。试验与分析表明，路面越不平整，车速越快，车辆及其设备的振动越激烈，振动的振幅以及加速度均很大。所以，合理选择行车道路和行驶速度，有助于减小振动振幅。在等级较差的路面上行驶时，降低车速可以减缓车辆及其设备的振动，有助于保护设备。但由于行车道路和行驶速度不是设计人员所能控制的，因而，设计者在进行系统设计时，要以最为恶劣的环境来考虑。2.2加固设计无论是天线系统，还是电子设备，均应遵循刚度设计为主、强度校核为辅的设计指导思想。加固设计就是针对结构的最薄弱环节进行的。通过加固设计，能够提高设备的刚度、强度，提高结构固有频率，进而提高设备抗振抗冲击性能。2.2.1天线系统的加固设计工作状态下，天线系统一旦发生结构谐振，就会直接影响到天线电讯性能以及系统的稳定性，甚至造成系统毁坏。避免结构谐振的最直接的方法，是提高天线结构的固有频率。而天线座的传动系统是天线反射体与基础构件连接的桥梁，又是运动受力载体，故传动系统刚度对天线系统固有频率的影响非常重大。结构设计时，增大传动系统刚度，降低天线负载的转动惯量，可以有效地提高系统的固有频率。在天线传动系统刚度满足要求的前提下，天线反射体和天线座架的刚度决定着系统的固有结构谐振频率。运用有限元分析，运用大型结构分析软件NASTRAN、SAP或ANSYS，对天线反射体和天线座架进行动静力分析和优化设计，在重量符合要求的条件下，将自重和风载作为载荷，以固有频率为目标函数，寻求最大结构刚度，获取最佳设计方案。通过优化设计、分析，改善结构的整体刚度，使薄弱环节得到加强，使结构的固有频率得到提高，使结构的应力分布趋于均匀合理。汽车运输状态下，天线系统或者直接刚性安装在车辆或方舱上，或者通过包装架刚性安装在车辆上。因而在对天线、天线座加固设计的同时，要对安装基座、车顶、车架或包装架进行加固，从而提高刚性，确保其共振频率比汽车正常遇到的强迫频率高得多。2.2.2电子设备的加固设计电子设备在结构上一般包含机柜、机箱和组件（或印制板、电源板）三个层次结构。层次设备的刚度设计必须遵守倍频程规则。机架的固有频率应大于扫频激励频率。装于机架内的模块、插箱的固有频率应大于2倍的机架固有频率；而装于模块插箱内的结构件、器件、印制版等的固有频率应大于2倍的模块、插箱固有频率〔5〕。对电子设备进行加固设计，目的就是增大刚度，提高固有频率。机柜机架的刚度主要取决于组成机架机柜各结构件的自身刚度和各结构件联接处的刚度。2.2.2.1设备自身刚度设计机箱、机柜在载荷作用下会产生弯曲和转动，即沿垂直轴振动时将产生弯扭耦合振动。机箱、机柜等结构件的刚度，取决于各自的结构形式、材料、固定方式。通常，在计算时假设机箱、机柜相当于单自由度系统，则机箱、机柜弯扭耦合振动固有频率fn估算如下〔4〕〔5〕：由上式可以推断，提高箱柜固有频率fn的主要方法是：·减小质量；·缩短长度；·提高抗弯、抗扭刚度。在设备的质量、尺寸一定的条件下，提高机柜、机箱的抗弯、抗扭刚度是提高固有频率的重要手段。这些手段主要有：·合理选择构件的截面形状和尺寸，可有效提高抗弯抗扭刚度。·多采用框架结构，从结构稳定性、整体性、可靠性等多方面进行结构设计。·对薄弱环节以及承载零部件进行重点分析。机柜骨架是决定机柜刚度的关键；插箱底板是电子模块、组件的安装基础。因而结构设计时，尽可能提高机柜骨架、插箱底板的刚度。·合理布置受力点，合理分布载荷，防止耦联振动，减小集中应力。机箱内电子组件应尽量靠近两边侧板，不能集中在中间；三级导轨的安装位置应尽量与机箱重心高度一致。2.2.2.2连接刚度设计·机箱与机柜、机箱内组件与机箱、各过渡件与机柜机箱联接应可靠。采用螺纹紧固剂、防松垫圈、防松螺母等措施可有效防止螺栓联接松脱。·联接用的螺钉，根据具体情况确定其规格、数量、分布，以起到加固作用。·通常机箱与机柜的联接除前面板螺钉、两侧导轨支撑外，应在后面板上设置定位销进行锁定，从而承受上下、左右方向的振动与冲击载荷。·机柜上安装侧门与后门，有助于增加机柜的整体刚度，同时门板与骨架的联接应牢固。2.3振动隔离2.3.1隔振系统模型在对电子设备进行加固设计的同时，应采取隔振缓冲措施。设备采取隔振缓冲是抗振抗冲击的重要措施，一个好的隔振缓冲系统可有效地降低振动传递率、碰撞传递率和冲击传递率。电子设备一般安放在机柜内，对电子设备的隔振缓冲，主要依靠机柜隔振器的隔振缓冲作用。目前对高1.2米以上机柜，隔振器的安装方式已标准化〔5〕，即在设备底部安装四只相同特性的隔振器，后背上部安装两只相同特性的隔振器。这样，有助于减小设备的摇晃。其力学模型如图2所示。对机柜的背架式隔振系统而言，根据振动理论分析，得知其存在着耦联自由度，会引起局部共振和系统耦联共振。因而，抗共振设计和解耦设计是背架式隔振系统要解决的两大问题〔6〕。2.3.2抗共振设计抗共振设计的目的是避免或抑制共振。对于机械振动系统，共振现象总是难以避免的。为了防止隔振系统过大的共振传递率对设备的损坏，所选隔振器的传递率应在标准规定的范围之内，即最大共振传递率（ηv）max≤5。对于不产生共振的理想隔振系统，ηv≤1，隔振器的刚度和固有频率应尽可能低，同时隔振器应具有变阻尼特性〔4〕。在实际应用中，我们应优先选用隔振传递率小、固有频率低的隔振器来抑制电子设备的共振。2.3.3解耦设计对于机柜隔振器采用重心安装方式，质量中心与刚度中心重合，能避免耦合振动。但在实际工作中，这种安装方式难以实现，且结构稳定性差，因而多采用标准安装方式。但对于背架式安装隔振系统而言，耦合振动不可避免。解耦设计的目的，是避免或减小耦合振动，尽可能减小或避免耦合振动带来的有害影响。为使背架式安装的隔振缓冲系统具有较好的隔振效果，必须使背架式安装隔振系统的重向刚度为零，且其水平刚度与底部隔振器的水平刚度匹配〔5〕。试验证明，GWF和GBJ匹配使用时可获得三向无共振放大的隔振系统。2.3.4减震器的选型在隔振系统安装方式固定后，减振器的选型及其组合形式决定了系统的动态特性和稳定性。目前，常用的减振器有三种：E型减震器、无谐峰减震器和钢丝绳减震器。三种减震器各有优缺点：·E型减震器：静变形较小，安装方便，比较适合方舱和厢体内部安装，但固有频率高。·无谐峰减震器：减振及隔冲效果好，无共振放大，寿命长，但载荷必须在减震器的额定载荷的20%以内，否则效果会差些。·钢丝绳减震器：刚度具有渐软的非线性特性，传递率低，能适应多种受力状态，主要适合于壁式安装。三种减震器常用型号的组合使用情况及各自性能，分别见表1、表2。以上三种减震器及其组合在不同的产品中均使用过。根据使用情况来看，三者各有优缺点。相比而言，组合I方便、简单、经济，但减振效果一般；组合Ⅲ性能最佳、效果最好，但价格上相对要贵一些；而组合Ⅱ各方面居于两者中间。因而在设备振动环境较好时，可优先选用组合Ⅰ；在有较高要求或设备振动环境较恶劣时，则应优先选用组合Ⅲ，以取得良好的减振隔振效果。2.4振动试验由于振动环境错综复杂，振动分析的结果不可避免存在一定的误差和不确定性，因而还需通过振动试验来进行分析与验证。振动试验，用于评定设备在其预期的运输和使用环境中的抗振能力。通过振动试验，可以分析设备的振动特性和动态参数，为新设计的电子设备的振动分析与设计计算提供可靠数据，极大提高振动计算分析的准确度；暴露现有电子设备结构工艺中的缺陷、薄弱环节，为进行设备的结构修改提供依据。通过进行计算分析、结构设计与振动试验，再到计算分析和结构设计的循环，大大提高了设备抗振能力。对于已经定型生产的保障设备和天线设备以及个别不能做振动试验的特殊设备，一般是通过跑车试验代替振动试验，以达到验证的目的。3工程应用实例某6米移动站设备，由天线系统、电子设备、保障设备三部分组成。天线系统主要包括天馈伺有关设备，电子设备包括数台机柜、机箱，保障设备包括车辆、方舱以及空调等。考虑到车载特性，结构设计时开展了以下几方面的工作：（1）运用ANSYS5.5对天线反射体、天线座架、副车架进行计算分析，以重量和固有频率为目标函数，以精度或变形为约束，实现重量与刚度的双重优化。（2）针对原车载机柜、机箱的薄弱环节进行分析改进、加固设计；同时，舱内机柜采用6只减震器的标准方式进行安装。（3）空调采购军用空调，并进行隔振安装。（4）电子设备按GJB150.16-86进行振动试验；天线车、电子设备车总装后进行500km跑车试验。在振动试验、跑车试验以及实际使用过程中，系统未发现异常情况，运行正常。同时，得到以下结论：·机柜机箱的刚强度大大提高；·系统抗振、减震性能良好；·天线系统结构谐振频率大于5Hz，具有很好的刚性。4结束语就卫星通信系统而言，尤其是车载卫星通信系统，对天线系统、电子设备和保障设备进行必要的抗振设计、分析和试验，有助于系统增强环境条件的适应能力，增强系统的可靠性。