某行波管输能窗结构动力学特性与随机振动试验

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:徐长有

  行波管工作在非常恶劣的环境下, 对结构可靠性具有很高的要求。本文探讨了国内外学者及科研机构对行波管结构动力学特性分析的研究方法和研究情况, 利用有限元模仿真分析和随机振动试验相结合的方法, 进行了某行波管输能窗两种结构的力学机理分析、动力学特性分析和随机振动试验。结果表明, 有限元仿真分析的结论与随机振动试验的结果是吻合的。

  行波管通常工作在非常恶劣的环境下, 在使用过程中要承受各种机械冲击和振动应力的作用, 因此行波管必须满足各种机械环境应力的考核, 在交付时必须做规定的综合环境试验条下的抗振可靠性鉴定和验收试验, 以验证其设计是否符合规定的抗振可靠性指标要求, 保证在规定的应力环境下正常工作。

  为了保证微波系统中行波管的可靠性, 国内外许多科研机构开展了大量的抗振可靠性、工艺可靠性、可靠性热设计等研究, 真空技术网(http://www.chvacuum.com/)总结了国内外科研机构在行波管结构可靠性方面的研究。

  A. F. Saleeb 与M. Prabhu采用一种有别于传统的动力学模态分析和振动试验的电子斑纹干涉方法, 研究了基于非接触法的全场振动测试数据对平板进行空间轮廓识别, 这为开展随机振动试验提供了一条简易且精确的途径。S.Raina 与M. Santra对一种耦合腔行波管进行了热和振动性能分析, 通过对行波管进行模态分析和随机振动试验, 研究了在给定的试验条件下行波管的位移、应力和变形情况。

  广东工业大学和电子五所对行波管结构可靠性的研究主要集中在两个方面, 其一, 在分析研究国内外行波管可靠性研究发展现状的基础上, 借助于有限元模拟分析方法理论, 在行波管的结构可靠性方面、进行了研究。其二, 利用可视化编程语言Visualc+ + 开发了行波管振动特性分析系统, 通过反复修改系统中设置的行波管振动特性关键参数,完成行波管的抗振可靠性分析, 以减少分析的工作量, 为优化设计提供便利途径。

  电子科技大学的周菥、姚列明等对栅网在高温状态下进行了热分析和动力学模态分析, 计算了栅网的热变形、振型和固有频率, 并开发了专用的热和动力学特性仿真环境软件。

  田义宏等从振动试验技术的角度讨论了振动应力筛选的方法, 分析了振动试验中夹具、安装方式、传感器、振动方向等各种因素和控制策略对环境应力筛选效果的影响。

  上述研究或偏重于有限元模拟仿真, 如对行波管组件进行动力学模态分析, 或偏重于实验研究, 如对行波管进行随机振动试验。本文采用了将力学机理分析、有限元模拟仿真与随机振动试验相结合的方法, 以力学分析为依据, 有限元模拟仿真为理论指导, 最后以试验来验证的方法, 对某行波管输能窗的两种结构进行了分析。

某行波管输能窗结构力学机理分析

  利用有限元法进行行波管随机振动分析, 是实现行波管结构动力学设计的有效途径, 结合随机振动试验在检验通过有限元设计的动力结构是否可靠的同时, 也大大提高了行波管可靠性设计的效率。

  图1 为某行波管输能窗的两种结构示意图。

输能窗两种结构示意图

图1  输能窗两种结构示意图

  从力学角度进行机理分析, 图1(a) 所示结构在试验时, 输能窗下端即窗固定面被固定, 上端处于自由状态, 实际上构成了悬臂梁结构, 受力简图如图2所示。图1(b) 所示结构对原本是悬臂梁结构的输能窗进行了支撑, 用支撑架支撑后, 输能窗由悬臂梁结构转变为简支梁结构, 其受力简图如图3 所示。

悬臂梁结构输能窗受力简图

图2 悬臂梁结构输能窗受力简图

简支梁结构输能窗受力简图

图3 简支梁结构输能窗受力简图

  以下对输能窗结构的两种形式进行了有限元动力学模态分析和随机振动试验仿真分析。

  采用理论分析与试验相结合的方法, 对某行波管输能窗结构进行了力学机理分析, 基于此分析, 对两种输能窗结构进行了动力学模态分析与随机振动模拟仿真。分析表明, 简支梁结构的输能窗相对于悬臂梁结构的输能窗而言, 固有频率大幅提高, 输能窗结构刚度增强。对两种输能窗结构的行波管进行了随机振动试验, 试验结果证明, 简支梁结构行波管工作正常, 未发生漏气现象, 解决了某行波管输能窗在振动后结构破坏的问题。

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