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NASTRANSAP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。

222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〕：

1 1 I [Ml J 4rt'/.

S f. fr卅E7 十K t

兀中」疔曲撮动固fj純爭I

人-扭转掾动岡有频率J EI抗弯刚总质血

I 良呱&」挈抗扭刚度* L转劫熾埔.

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。

2.222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。