一种CPCI总线的机载设备抗振设计
来源: 机械研究与应用   发布时间: 2016-11-16 14:03   597 次浏览   大小:  16px  14px  12px
介绍了基于CPCI总线的机载电子设备的母板振动问题,从故障现象入手,对故障原因进行理论分析,借助仿真手段,比较结构设计改进前后的变化,通过环境实验,从理论和实践两方面解决了机载设备母板振动设计问题。

陈越惠,叶发亮,沈巍巍,中电科三十六所


关键词:CPCI;机载;抗振设计

0 引言

电子设备在使用过程中不可避免的受到各种机械力———振动、冲击及离心力的作用。尤其是在机载环境下,在飞机的起飞和巡航过程中,机载电子设备需承受较大量级的复杂振动和冲击载荷。然而,由于机载环境对于电子设备体积、重量的苛刻要求,需要我们在电子设备设计过程中在满足重量、散热的前提下,对设备进行良好的可靠性设计。


CPCI(Compact PCI)是国际工业计算机制造者联合会提出来的一种总线接口标准,是以PCI电气规范为标准的高性能工业用总线。在电气特性上,CPCI总线以PCI电气规范为基础,解决了VME等总线技术与PCI总线不兼容的问题;在机械结构上,CPCI总线具有很好的抗震性和通风性,而且还可以从前面板拔插板卡,使更换和维修板卡极为方便。CPCI所具有可热插拔、高开放性、高可靠性,使得其在军用电子系统中广泛运用。


1 设备结构和振动问题

某机载分析接收机是基于CPCI总线的标准19英寸8U单机,该分析接收机由机箱、风机、模块、母板和各种器件组成,单机共有14个槽位,其中CPCI主板厚度为28.5,其余模块均为4HP,单机共有12个模块,具体结构如图1和图2所示。



图1 某分析接收机外形示意图



图2 某分析接收机结构示意图

该机载单机在随机振动(Z方向)过程中出现振动问题:母板的四个角出现断裂现象,如图3所示。



图3 振动后的母板图

2 振动问题分析和解决办法

2.1 问题分析


(1) 由于单机里面的模块是用锁紧条固定在上下的导轨板上,刚性较好。导轨板固定在侧板上,侧板只有2.5 mm厚,上下导轨板连接的刚性不好,振动的时候两块导轨板之间就会产生相对位移,从而拉扯固定在导轨后面的母板,同时单机模块安装的不均匀,模块重心偏离单机的水平几何中心上,使得对母板的拉扯力也不平均,四个角上受到的力最大,所以四个角最容易破裂,母板的安装示意图如图4所示。



图4 母板安装示意图

(2) 母板上固定孔离边缘太近,四个角上的孔(孔直径3.5 mm)中心离竖直方向的边缘4 mm,离左右水平方向的边缘3.5 mm,在受力情况下能够承载力的地方太小,造成应力集中,容易破裂。


2.2 解决办法


母板的断裂是由于侧板太薄,使得母板在振动时产生相对位移所致,所以一种解决办法是加大侧板的厚度,这样可以提高上下导轨板连接的刚性。但是这会大大增加单机的整体重量,这对于机载设备严格控制重量来说,显然不是最好的解决办法。所以我们考虑能不能将固定母板的上下导轨板作为一个整体,减少因为上下导轨板相对位移对母板产生的拉扯。为了解决这个问题,在两块导轨板中间靠近两个侧板的地方增加两块加强板,将上下两块导轨板连成一体,然后再整体固定在机箱的侧板上,用来增加上下导轨和侧板连接处的刚性,减少侧板变形导致的上下导轨板位移,同时对加强板进行开槽减重处理,这样在控制单机重量的前提下,提高了上下导轨的刚度,减少了母板相对位移,避免了母板安装孔的应力过度集中,加强版安装位置示意图如图5所示。



图5 加固后的母板示意图

母板固定孔距离边缘的距离每边各增加2 mm,母板与导轨之间的接触面上增加弹性衬垫,避免母板跟导轨板相互摩擦而产生的短路问题,改进后母板示意图如图6所示。



图6 母板改进示意图

3 实验论证

在对振动问题分析完成后,对母板两种不同的固定方式进行了实验验证,包括仿真分析和环境实验,仿真分析通过Ansys完成,环境实验通过模拟实际工况的试验台进行。


3.1 振动仿真


(1) 改进前的模型仿真试验结果,如图7所示。



图7 未改进的模型仿真结果

(2) 改进后的模型仿真试验结果,如图8所示。



图8 改进后的模型仿真结果

由图7可看出,位移最大的地方位于母板的的右下角,最大位移0.27 mm。由图8可看出,现在最大位移为0.11 mm。结论:经过两个加固板进行固定以后,母板上最大的位移量可以减小到原来的0.3 ~ 0.4,可以明显减小导轨板对母板的拉扯。


3.2 改进后接收机的环境实验


改进后的接收机重新进行了振动、冲击和加速度试验,如图9。设备安装位置L1=0.3 g2/Hz;螺旋桨通过频率(螺旋桨转数乘以桨叶数量)F1 =71.5 Hz;F2=2F1F3 =3F1F4 =4F1;尖峰带宽为中心频率的±5%。



图9 振动谱

单机按实际工作方向安装(带减振器)在振动台上,分别在XYZ 三轴向各向振动1 h。


功能冲击:半正弦波6 g,持续时间11 ms,试品分别进行3个轴向6个方向的冲击试验,每方向冲击3次,共18次冲击试验。


坠撞安全冲击:半正弦波15 g,持续时间11 ms,试品分别进行3个轴向6个方向的冲击试验,每方向冲击2次,共12次冲击试验。


加速度结构安全实验值如下:前为1.5 A,后为4.5 A,上为6.75 A,下为2.25 A,左为3.0 A,右为3.0 A, 其中加速度A = 1.0 g, 加速度方向定义与GJB150.15 相同。


以上试验完成后单机结构和性能指标都正常。


4 结论

机载平台与其他平台相比有着自身的特殊性,主要表现在机载电子设备在使用过程中会受到飞机发动机振动、飞机外部气流干扰以及飞机的起飞、着陆等产生的振动和冲击。因此,在机载设备设计中一定要充分考虑抗振设计,笔者以CPCI总线结构的单机设计为例,通过对故障理论分析、仿真分析和环境实验为手段,验证了采用以上抗振设计方法可以满足机载条件下电子设备的环境适应能力。