楊玉光，周 吉，李齊兵

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某機(jī)載顯控臺結(jié)構(gòu)的有限元分析*

楊玉光，周 吉，李齊兵

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

機(jī)載顯控臺在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就要考慮結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度是否滿足載機(jī)的振動(dòng)環(huán)境條件要求。為了節(jié)約試驗(yàn)成本，縮短研發(fā)周期，在設(shè)計(jì)階段廣泛采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)。文中針對某機(jī)載顯控臺的結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，建立了有限元分析模型，對顯控臺進(jìn)行了模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析。結(jié)果表明該顯控臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。該仿真分析為產(chǎn)品提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)。

顯控臺；剛強(qiáng)度；有限元分析

引 言

機(jī)載雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展對雷達(dá)適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的要求越來越高，對顯控臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求也不斷提高，輕量化是機(jī)載設(shè)備永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。機(jī)載顯控臺作為重要的機(jī)載電子設(shè)備平臺，既要盡可能地降低設(shè)備重量，又要保證顯控臺結(jié)構(gòu)在機(jī)載振動(dòng)沖擊環(huán)境下不被破壞。同時(shí)產(chǎn)品的研發(fā)也面臨著研發(fā)周期短、性能要求高的問題，想要在較短的時(shí)間內(nèi)全面完成產(chǎn)品的研制，采用CAE 等現(xiàn)代化輔助分析技術(shù)是必不可少的[1-2]。對顯控臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真計(jì)算是使其設(shè)計(jì)符合剛強(qiáng)度要求的重要手段。

1 顯控臺有限元分析

顯控臺由操作臺支撐底架、操作臺以及背部的加固結(jié)構(gòu)組成，其設(shè)計(jì)模型如圖1所示。分析時(shí)所采用坐標(biāo)系的Y方向?yàn)樨Q直方向，X方向?yàn)閷挾确较?，Z方向?yàn)樯疃确较颉?/p>

圖1 顯控臺模型

1.1 有限元模型建立

顯控臺支撐底架以及背部的加固結(jié)構(gòu)均為薄壁件(厚度為1 mm至3 mm不等)，所以在模型簡化時(shí)對其作抽取中面處理，在分析時(shí)采用薄殼單元來模擬。操作臺為整體成型結(jié)構(gòu)，雖然大體上也為薄壁構(gòu)件，但在某些局部區(qū)域的厚度并不相等，所以在分析時(shí)采用實(shí)體單元來模擬。對顯控臺上的設(shè)備，采用質(zhì)量點(diǎn)來簡化。簡化后的分析模型如圖2所示。

圖2 顯控臺簡化模型

1.2 網(wǎng)格劃分

顯控臺頂部操作臺結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而底部支架采用薄殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證單元的網(wǎng)格質(zhì)量，在可能的高應(yīng)力或者應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。劃分好的網(wǎng)格模型如圖3～圖5所示，共514 119 個(gè)單元，873 846 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 頂部操作臺網(wǎng)格

圖4 局部網(wǎng)格細(xì)化

圖5 底部支架網(wǎng)格

1.3 邊界約束條件

顯控臺底部使用4 個(gè)螺釘，背部使用2個(gè)螺釘固定(見圖6)。在有限元模型中，約束所有螺釘連接處3個(gè)方向上的自由度。

圖6 顯控臺邊界約束位置

1.4 模態(tài)分析

對顯控臺進(jìn)行模態(tài)分析，得到前4階固有頻率(見表1)和振型，如圖7所示。從圖7可以看出，操作臺局部變形較大。

表1 前4階頻率值

圖7 前4階固有頻率和振型

1.5 隨機(jī)振動(dòng)分析

在模態(tài)分析基礎(chǔ)上，采用模態(tài)疊加法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，分別在3個(gè)方向上按給定振動(dòng)譜(見圖8和圖9)施加激勵(lì)，施加位置即邊界約束位置(見圖6)。在各方向的激勵(lì)下，應(yīng)力可以滿足要求,如圖10所示。最大變形也在許用范圍內(nèi)，如圖11所示。

圖8 Y向振動(dòng)譜

圖9 X、Z向振動(dòng)譜

圖10 隨機(jī)振動(dòng)位移云圖

圖11 隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力云圖

2 結(jié)束語

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，顯控臺的整體結(jié)構(gòu)性能較好，能滿足環(huán)境設(shè)計(jì)要求。按照仿真結(jié)果，對顯控臺進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并對仿真中發(fā)現(xiàn)的局部薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。在前期設(shè)計(jì)階段，結(jié)合有限元分析方法，對顯控臺結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，不僅節(jié)約了生產(chǎn)加工成本，而且縮短了研制時(shí)間。當(dāng)然，目前計(jì)算機(jī)仿真還不能完全取代試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比需要在后期進(jìn)一步開展。

[1] 李素梅. 王勖成. 有限單元法[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003.

[2] 張洪武, 關(guān)振群. 有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[3] 魏強(qiáng). 機(jī)載顯控臺抗振動(dòng)仿真分析設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(4): 60-61, 64.

[4] 杭燚, 孫帆, 沈文軍. 直升機(jī)載顯控臺設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 電子機(jī)械工程, 2015, 31(1): 39-41, 45.

[5] 李釗, 王志海. 基于有效模態(tài)質(zhì)量優(yōu)選法的機(jī)載雷達(dá)隨機(jī)振動(dòng)分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2015, 31(1): 1-6.

楊玉光(1978-)，男，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

周 吉(1989-)，男，助理工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

李齊兵(1986-)，男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

聲 明

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Structure Analysis of an Airborne Display and Control Console

YANG Yu-guang，ZHOU Ji，LI Qi-bing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

It is necessary to consider at the design stage whether the strength and stiffness of the airborne display and control console meet the requirements of work conditions. In order to reduce the cost of environmental tests and shorten the development cycle, the CAE technology is widely used at design stage. In this paper, the structure design of a display and control console is analyzed by ANSYS software. The finite element model is established. The strength and stiffness performances of the display and control console under different work conditions are solved by ANSYS. The results show that the strength and stiffness of the display and control console can meet the design requirement. The mechanical simulation provides scientific and accurate design consideration.

display and control console; strength and stiffness; finite element method

2016-03-17

TH959.73

A

1008-5300(2016)04-0062-03