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1、北京交通大学硕士学位论文军用电子机柜随机振动疲劳分析姓名：王荣乾申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：黄海明20061101j E 塞窑迤太堂堂垃论塞缱塑堡盟A B S T R A C TM i l i t a r yd e c h D I l i cc a b i n e ti st h eV e h i c u l a rc a b m e tw i le l 咖m cc o m p o n e n ta n dd e v i c ei nm ec o m m I l l l i c a t i o nc h 撕o t T h em e c 蜥c a Ip r o p e n i e
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9、课题来源及研究意义第一章绪论本课题来源于某军品企业。高技术战争越来越依赖于电子技术，在野战环境中，装载于地面车辆和舰艇上的电子设备必须保证电信号的战术和技术指标，而电子机柜作为电子元、器件的载体，其结构的机械性能将直接影响野战环境中电信号的传输以及电子系统的可靠性。为了保障电子产品在战争环境中的可靠性，美国以及西方发达国家投入了大量的人才和高科技手段从事电子设备的研究，使得电子产品在各种环境中可靠性极大提高。8 0 年代中期我国也开始进行这方面的研究，并且颁布了相应的军用标准G B J l 5 0 军用设备环境试验方法，经过多年的研究，在机柜结构设计领域取得了不少成果，但是由于多种因素的制约，
10、到目前为止，电子设备设计时只考虑其静态性能，没有涉及动态响应。因此，我国许多电子机柜的整体动态性能薄弱，抵御恶劣环境的能力不足，这已成为提高电子设备性能的制约因素。1 2 研究背景在随机载荷作用下结构会产生随机振动。宽带、中高频随机载荷可以激发结构多数模态参与振动，在某些频率上产生足够大的应力，从而导致结构的高周疲劳失效。随机载荷作用下结构疲劳问题涉及到结构动力学研究领域和结构疲劳强度研究领域。包括随机载荷的确定，结构随机振动响应计算以及结构疲劳损伤三个方面的问题。随机振动的物理数学基础早在二十世纪三十年代就己基本奠定，而对随机振动的研究始于五十年代中期。航空、航天、海洋等领域的需要促使人们用
11、概率统计方法研究承受非确定性载荷的系统的响应、稳定性和可靠性等问题，从而将己有的随机过程、统计力学、疲劳强度理论等综合应用于工程问题。由于飞机、火箭技术的发展、海洋石油工业的发展在航空、航天、海洋领域中提出一系列问题，如大气湍流引起的飞机颤振，喷气噪音导致的飞行器表面结构声疲劳、大结构海洋平台的随机疲劳等，都促使研究者运用己有数学工具以解决面临的工程问题。1 9 5 5 年M o n D w 和M u c h m o r e 把谱分析引进随机振动并建立了结构随机响应等基本北京交通火学硕士论文第一章绪论概念。1 9 5 7 年断g 研究了连续体的随机振动并讨论了振型相关性。1 9 5 8 年C
12、r 锄d “1 主编的随机振动的出版标志着随机振动这一振动力学分支的诞生( ”。近年来，随着科学技术的发展，特别是计算机技术的迅速发展和快速傅立叶变换( F I 叮) 的出现和使用，对随机振动的研究在应用和理论方面得到迅速发展。数字式测试设备广泛采用以及在此基础上系统的识别与诊断和随机振动实验技术的进步，使随机振动的应用范围愈来愈广，由飞机和火箭扩展到汽车、船舶及高层建筑、海洋工程结构等。我国学者在随机振动领域的研究起步较晚，但近二三十年来发展迅速，在理论基础、分析方法、数值计算、信号分析测试技术、实验研究、载荷分析、环境减振降噪、设计优化、故障诊断、工程可靠性分析等诸多方面得到了全方位的发展
13、，结构工程、地震工程、海洋工程、车辆工程、包装工程、机械工程、飞行器、土木工程等方面有了广泛的应用，并与非线性振动、有限元方法等相结合，在诸如非线性随机振动，分叉与浑沌，随机有限元等方面取得长足进展，有些研究成果显著【2 】。疲劳问题的产生最早可追溯到十九世纪初叶，随着蒸汽机的发展以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生，破坏处的名义应力低于材料的强度极限和屈服极限。1 8 3 9 年巴黎大学教授P o n c e l e t 首先使用了“金属疲劳”的概念，用来描述材料在交变载荷下承载能力逐渐耗尽以致最终断裂的破坏过程。1 8 5 0 年一1 8 6 0 年有“疲劳试验之父”之称的德国工
14、程师w b h l e r 首先开展了疲劳的试验研究。1 8 7 1 年他提出S - N 曲线和疲劳极限的概念，并系统地论述了疲劳寿命与循环应力的关系，奠定了金属疲劳的基础。在以后的l O O 多年中，特别是二次世界大战以后，汽车、航空、核能等重要工业部门的发展不断地推动结构材料的疲劳研究，在大量试验的基础上提出了许多的材料疲劳损伤模型和理论。疲劳破坏以前所经历的应力或应变的循环次数称为疲劳寿命。在恒幅载荷下，疲劳寿命可由s N 曲线获得；在变幅载荷下，首先分析确定载荷谱和应力谱，然后按一定的累积损伤理论来估算疲劳寿命。而对于随机载荷作用下结构的疲劳损伤估计及寿命预测，长期以来一直采用的方法是
15、基于现场实测的载荷一时问历程或应力一时间历程，采用不同方法对载荷循环或应力循环进行计数，再根据疲劳累积损伤理论给出结构的疲劳寿命。然而，对于随机振动的结构，特别是对于大多数电子产品及电子封装结构，很难对象焊接处和集成电路的引脚等局部点位置进行实时检测，以获得振动应力的全部时间历程。采用c A E 软件工具对其进行应力时间历程的模拟也不现实，因为需要在时域对结构进行瞬态分析的时间太长了p 】。一般情况下，随机载荷作用下结构的振动响应计算是在频域中完成的，得到结构响应的功率谱密度函数等频域统计特征。功率谱密度函数是描述平稳随机过程最重要的参数，它给出了随机过程的频域功率分布密度。尽管它并不是关于随
16、机2北京交通大学硕士论文第一章绪论过程的完整的统计描述，但提供了极为重要的频域统计信息。传统的声疲劳寿命估算主要是通过大量试验数据归纳出来的经验或半经验方法，如北约国家的活页式工程科学数据集( E S D U ) 和美国的计算图表，即诺漠图f 4 】。这些方法大多需要一条均方应力( R M s ) 与寿命循环次数的关系曲线，根据声载荷环境、构件材料、尺寸形状算得的结构应力均方根值查出相应结构的寿命。国外经过大量试验，对典型结构部件的s 。曲线己经有了一些积累，但与常规疲劳的s N 曲线相比，在质量上、数量上还相差很远，无法满足工程上的要求。虽然采用M o n t e c 砌。方法等将频域内容转化为模拟时间历程f 5 6 】缓解了这一矛盾，从而能够利用常规的sN 曲线完成随机疲劳寿命计算，但这是一项费时费力的工作，尤其对于低幅值、高频率随机过程来说更是如此。因此，如何在频域根据应力响应的功率谱密度函数，利用常规的s N 曲线直接进行疲劳损伤分析以及疲劳寿命预测是解决问题的关键。随机振动载荷作用下结构的疲劳问题就
