張 艷,劉 揚(yáng), 倪修華

(1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室,上海201109;2.上海無線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

中頻接收機(jī)在導(dǎo)彈的發(fā)射與飛行過程中要經(jīng)歷惡劣的力學(xué)環(huán)境。通常在振動臺上進(jìn)行正弦掃描試驗(yàn)與隨機(jī)振動試驗(yàn),以驗(yàn)證中頻接收機(jī)在發(fā)射與飛行過程中是否能夠可靠工作,而這需要在中頻接收機(jī)加工裝配調(diào)試完成之后才能進(jìn)行。但如果使用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行正弦掃描與隨機(jī)振動分析,就可以在中頻接收機(jī)CAD模型完成之后、零件加工投產(chǎn)之前對中頻接收機(jī)的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn),減少經(jīng)濟(jì)損失,縮短研制周期。

大型通用有限元分析軟件ANSYS中,可以使用GUI操作與APDL兩種方式進(jìn)行有限元仿真。APDL是 ANSYS軟件中參數(shù)化設(shè)計語言(ANSYS Parametric Design Language)的簡稱,是用來自動完成某些功能或建模的一種腳本語言[1]。APDL為用戶提供了完成建立模型、施加約束和載荷、求解以及后處理的一般命令外,同時還提供了對這些命令的循環(huán)判斷等流程控制功能。在僅進(jìn)行單次有限元仿真的場合,APDL相對于GUI操作并無優(yōu)勢;但在需要進(jìn)行反復(fù)計算且操作過程比較繁瑣的有限元仿真場合,使用APDL可以顯著提高效率和降低出錯概率[2]。在中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,經(jīng)常需要根據(jù)仿真結(jié)果修改結(jié)構(gòu)設(shè)計,且按照總體要求需要在三個方向上分別施加隨機(jī)振動激勵以考核中頻接收機(jī)的強(qiáng)度,因此每修改一次結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行三次隨機(jī)振動仿真,以往展開的隨機(jī)振動仿真的求解都是使用GUI操作進(jìn)行[3,4],此方法比較繁瑣。所以,本文以中頻接收機(jī)隨機(jī)振動仿真的求解為例,說明使用APDL在提高仿真效率等方面的優(yōu)勢。隨機(jī)振動仿真由有限元模型的建立、模態(tài)的求解、譜的求解、模態(tài)合并和結(jié)果觀察五個步驟組成。其中模態(tài)的求解、譜的求解和模態(tài)合并屬于隨機(jī)振動仿真的求解部分,該部分使用APDL完成。

1 有限元模型的建立

由于中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,有限元模型的建立過程中涉及手工調(diào)整較多,不便于使用APDL。ANSYS軟件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元模型的建立方面與前處理軟件Hypermesh相比較弱,故在H ypermesh軟件中使用GUI操作完成有限元模型的建立。

1.1 CAD模型導(dǎo)入與幾何清理

中頻接收機(jī)的CAD模型及其坐標(biāo)軸方向的定義如圖 1所示,它由通過圖 1中所示的E、F、G、H處四個螺栓連接的兩個盒體組成。中頻接收機(jī)通過圖中所示的A、B處螺栓以及與A、B處螺栓對稱的C、D處螺栓(此視圖中不可見)固定在導(dǎo)引頭本體上。中頻接收機(jī)的材料是牌號為2A 12的鋁合金,其楊氏模量為70.6Gpa,密度為2 780 kg·m-3,泊松比為0.3,拉伸強(qiáng)度為407.1M pa。

圖1 中頻接收機(jī)CAD模型

CAD模型中可能包含許多設(shè)計細(xì)節(jié),如細(xì)小的孔、狹窄的槽,甚至是建模過程中形成的小曲面等。這些細(xì)節(jié)往往不是基于結(jié)構(gòu)的考慮,若保留這些細(xì)節(jié),單元數(shù)量勢必增加,甚至?xí)谏w問題的主要矛盾,使分析結(jié)果精度下降。因此,在仿真模型中刪除圖1中I、J等處的小孔,以及其他一些不影響分析結(jié)果的細(xì)微特征。

1.2 網(wǎng)格劃分與約束處理

采用剛性連接的方法模擬圖1中E、F、G、H處的螺栓。在同樣的計算精度下,采用六面體單元比采用四面體單元具有更高的計算效率。但六面體網(wǎng)格劃分要求幾何體具有較規(guī)則的拓?fù)湫螤?由于中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)不規(guī)則,故采用二階四面體單元Solid 187進(jìn)行實(shí)體單元的劃分。

對圖1中A、B、C、D處四個螺栓孔內(nèi)表面所有節(jié)點(diǎn)的三個自由度全部約束,以模擬中頻接收機(jī)與本體的連接。在Hypermesh軟件中完成中頻接收機(jī)網(wǎng)格劃分與約束處理后,將模型導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS中,其有限元模型如圖2所示,共有102 717個單元,184 527個節(jié)點(diǎn)。

圖2 中頻接收機(jī)有限元模型

2 APDL在隨機(jī)振動仿真求解中的應(yīng)用

仿真用隨機(jī)振動試驗(yàn)條件為標(biāo)準(zhǔn)加速度控制譜,頻段范圍為(10-2 000)Hz,其中(10-50)H z為3 dB的上升譜,(50-300)H z范圍為0.25 g2/H z的平直譜,(300-2 000)H z為-12 dB的下降譜,總均方根加速度值為9.68 grm s,加載方向?yàn)槿齻€軸向分別單獨(dú)加載。隨機(jī)振動有限元模型的求解包括模態(tài)的求解、譜的求解和模態(tài)擴(kuò)展三個步驟,均使用APDL完成。

2.1 模態(tài)的求解

模態(tài)的求解包括選擇分析類型、模態(tài)擴(kuò)展、設(shè)置頻率范圍和求解等步驟,其APDL程序?yàn)?/p>

其中“!”之后的內(nèi)容為注釋。計算模態(tài)的頻率上限應(yīng)大于試驗(yàn)給定的頻率上限2 000 H z,選定計算模態(tài)的頻率上限為3 000 Hz[5]。計算得到(0-3 000)Hz頻率范圍內(nèi)的固有頻率如表 1所示,其第1階模態(tài)的振型如圖3所示。

表1 中頻接收機(jī)的固有頻率

圖3 中頻接收機(jī)的第1階模態(tài)振型

2.2 譜的求解

譜的求解包括選擇分析類型、定義載荷、定義輸出、求解等步驟,其APDL程序?yàn)?/p>

2.3 模態(tài)合并

模態(tài)合并包括選擇分析類型、設(shè)置模態(tài)合并的閾值、求解等步驟,其APDL程序?yàn)?/p>

2.4 與使用GUI操作的對比

與使用GU I操作相比,使用APDL進(jìn)行隨機(jī)振動仿真的求解具有如下優(yōu)勢。

(1)效率更高

隨機(jī)振動求解過程分為三步,使用GUI操作十分繁瑣,而且操作過程無法重復(fù)利用,即每進(jìn)行一次仿真分析,在GUI操作中都需要重復(fù)性地進(jìn)行人工操作。以設(shè)置PSD譜為例,使用GUI操作,每次進(jìn)行仿真分析都需要完成圖 4所示數(shù)據(jù)的錄入。而APDL程序一旦編寫完成后,只需要做小的修改就可以進(jìn)行新的仿真分析,設(shè)置PSD譜等操作由計算機(jī)讀入相應(yīng)程序后自動運(yùn)行,無需人工操作。如果僅改變加載方向,只需要對“D,all,ux,1.0”這一行程序進(jìn)行修改,以重新定義加載方向;如果僅改變仿真對象,只需要對“Cm sel,s,nfixed,node”這一行程序進(jìn)行修改,以重新定義PSD譜加載的節(jié)點(diǎn)。通常在一分鐘內(nèi)就可以完成程序的修改,直接運(yùn)行修改后的程序就可以進(jìn)行仿真。而利用GUI操作每次都需要10分鐘左右的人工操作時間,因此使用APDL可以大幅提高工作效率。

圖4 設(shè)置PSD譜的GU I操作

(2)無需人工干預(yù)

隨機(jī)振動仿真求解由模態(tài)求解、譜求解、模態(tài)合并三個求解步驟組成。使用GUI操作時,提交給計算機(jī)一個求解步驟進(jìn)行求解后,需要計算機(jī)完成該求解步驟并彈出求解完成的提示后,才能進(jìn)行下一步的GUI操作。而如果使用APDL,一個求解步驟求解完成后,計算機(jī)會自動讀取并執(zhí)行下一個語句,中間無需人工干預(yù)。

(3)出錯概率更低

大量的GUI操作使得極易發(fā)生漏操作、操作順序顛倒等錯誤,而且錯誤一旦發(fā)生后很難發(fā)現(xiàn),甚至需要全部重新操作。APDL一旦調(diào)試無誤以后,進(jìn)行新的仿真只需要做很小的修改,很難發(fā)生錯誤,而且一旦發(fā)生錯誤可以根據(jù)APDL程序分析和查找錯誤產(chǎn)生原因。

但相對于GUI操作而言,使用APDL進(jìn)行仿真也存在著不直觀的缺點(diǎn)。

3 結(jié)果分析

分別沿X方向、Y方向和Z方向施加隨機(jī)振動,得到中頻接收機(jī)的應(yīng)力分布和加速度分布,由于在Z方向施加隨機(jī)振動時,其應(yīng)力值和加速度值均遠(yuǎn)大于X方向和Y方向的應(yīng)力和振動響應(yīng),因此僅給出中頻接收機(jī)在Z方向施加隨機(jī)激勵時的應(yīng)力分布和加速度分布,分別如圖5和圖6所示。

在Z方向施加隨機(jī)振動時得到中頻接收機(jī)的Von M ises應(yīng)力分布如圖5所示,結(jié)構(gòu)的最大von M ises應(yīng)力為138MPa,發(fā)生在接收機(jī)與本體連接的螺栓孔處,約為材料的強(qiáng)度極限407.1 M Pa的1/3,所以中頻接收機(jī)的強(qiáng)度符合要求。

圖6中含有“■”的曲線為Z方向施加隨機(jī)振動時中頻接收機(jī)頂部中間點(diǎn)的加速度響應(yīng),含有“▲”的曲線為隨機(jī)振動加載曲線。在第一階固有頻率處振動幅值放大較大,在高頻段有所衰減,響應(yīng)的總均方根加速度值為38.7 grms,為輸入的4倍。

圖6 隨機(jī)振動下中頻接收機(jī)頂部中間點(diǎn)的加速度響應(yīng)

4 結(jié)束語

使用APDL實(shí)現(xiàn)了中頻接收機(jī)隨機(jī)振動的仿真求解。與使用GUI操作進(jìn)行隨機(jī)振動的仿真求解相比,使用APDL具有效率更高、無需人工干預(yù)、出錯概率更低的優(yōu)點(diǎn)。該APDL具有一定的通用性,

對其稍做修改便可用于其他對象隨機(jī)振動的仿真求解。

[1] 趙金廣.基于APDL語言的結(jié)構(gòu)動載荷響應(yīng)分析綜述[J].山西建筑,2010,(3):88-89.

[2] 劉曉雷,徐海波.基于APDL的活塞熱力耦合程序開發(fā)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2009,(5):1:5.

[3] 徐孝誠,王成華,韓增堯.再入飛行器復(fù)雜結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動響應(yīng)分析研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2002,(3):1-4.

[4] 汪元貴,雷勇軍.飛行過程中慣導(dǎo)系統(tǒng)的隨機(jī)振動響應(yīng)分析[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,(3):39-41.

[5] 徐孝誠,尹立中.關(guān)于結(jié)構(gòu)高頻響應(yīng)分析中有限元網(wǎng)格劃分的細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)[J].振動與沖擊,2002,(1):52-56.