摘 要：文章采用有限元仿真分析軟件ANSYS對某型航空機載溫度傳感器在隨機振動載荷下的應(yīng)力狀態(tài)進行有限元分析，從而完成對結(jié)構(gòu)的可靠性評估。根據(jù)有限元和隨機振動相關(guān)理論，結(jié)合仿真分析結(jié)果，該型溫度傳感器在承受規(guī)定的隨機振動載荷時，安全系數(shù)高，該結(jié)構(gòu)具有足夠的抗振強度，結(jié)構(gòu)可靠性穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；隨機振動；有限元仿真；ANSYS

1 概述

航空機載傳感器所經(jīng)受的工作環(huán)境極為惡劣，在相當短的時間內(nèi)會經(jīng)受相當大的隨機振動載荷，從而引起很大的交變應(yīng)力，振動疲勞損傷非常嚴重[1]。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段，采用隨機振動理論對產(chǎn)品及各零部件結(jié)構(gòu)進行振動特性仿真分析，找出各設(shè)計參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響規(guī)律，并采取相應(yīng)的改進措施，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證傳感器在整個任務(wù)階段不出現(xiàn)疲勞破壞。

文章針對某型航空機載溫度傳感器進行了基于ANSYS的有限元振動疲勞仿真分析。通過計算隨機振動的峰值應(yīng)力值來對結(jié)構(gòu)的可靠性進行考察，通過在共振頻率點的應(yīng)力響應(yīng)來計算隨機振動的峰值應(yīng)力，比較峰值應(yīng)力與材料的屈服極限的大小來考察結(jié)構(gòu)的可靠性[2]，判斷結(jié)構(gòu)的抗振強度及薄弱位置，以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)劣，為結(jié)構(gòu)進行改進和提高結(jié)構(gòu)的可靠性提供依據(jù)。

2 溫度傳感器產(chǎn)品概述

2.1 產(chǎn)品功能

傳感器安裝在燃油控制裝置殼體內(nèi)，用于測量流經(jīng)燃油控制裝置內(nèi)的計量燃油溫度，并將燃油溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斔偷诫娮涌刂破鳌?/p>

2.2 產(chǎn)品組成

傳感器主要由感溫元件（1）、外殼（2）、套管（3）和蓋（4）等構(gòu)成。傳感器結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3 振動特性仿真分析

3.1 有限元計算前處理

3.1.1 有限元模型的建立

根據(jù)溫度傳感器的設(shè)計圖紙、裝配關(guān)系和CAD數(shù)字樣機建立有限元模型，對不影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度的刻字、導(dǎo)線、裝配螺紋等特征進行簡化，對其他特征進行詳細建模。產(chǎn)品的有限元模型如圖2所示。

傳感器幾何形狀較為復(fù)雜，為保證足夠的分析精度，重要部位盡量細化網(wǎng)格，共劃分了41023個單元，72901個節(jié)點。傳感器網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

3.1.2 傳感器材料參數(shù)的設(shè)定

傳感器的套管、外殼、蓋等零件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。具體的材料參數(shù)見表1。

3.1.3 傳感器約束設(shè)定

根據(jù)實際安裝情況，傳感器通過外殼零件上的安裝螺紋與燃油控制裝置殼體上的安裝孔相連，因此需對安裝螺紋面施加固支約束。

3.2 有限元計算結(jié)果及分析

3.2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計中結(jié)構(gòu)或部件的振動特性，即計算固有頻率及振型。它是瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析等更詳細的動力學(xué)分析的起點。文章基于有限元法的線性振動理論，應(yīng)用ANSYS軟件模態(tài)分析中的子空間法（Subspace Method）[3]，對傳感器結(jié)構(gòu)的前6階振動特性進行分析，計算結(jié)果如表2所示。從總體來看，傳感器的固有頻率較高，各階固有頻率均在2000Hz以上，即當產(chǎn)品所承受的振動載荷頻率在2000Hz以內(nèi)的振動載荷時，不會因發(fā)生共振而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

3.2.2 隨機振動分析

隨機振動分析也稱功率譜密度分析（PSD），屬于一種概率統(tǒng)計分析。功率譜密度是結(jié)構(gòu)對隨機動力載荷響應(yīng)的概率統(tǒng)計，后處理結(jié)果為功率譜密度-頻率關(guān)系曲線。有限元隨機振動分析就是建立在對結(jié)構(gòu)進行振動分析得到結(jié)構(gòu)的各階振型和固有頻率的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)所給的加速度功率譜求出結(jié)構(gòu)在這些隨機激勵下的位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)。文章利用ANSYS軟件對傳感器進行隨機振動特性進行仿真計算[4]，通過對響應(yīng)的分析為結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計提供理論依據(jù)。

（1）振動載荷的施加

利用模態(tài)分析時建立的傳感器有限元模型，對該模型施加沿三軸向的隨機振動載荷，載荷施加位置為傳感器外殼安裝螺紋處的約束位置，振動載荷譜如圖4所示。

（2）振動分析結(jié)果

圖5～7分別為計算得到的傳感器產(chǎn)品按振動譜承受沿X、Y、Z三軸向功能振動載荷時最大值處的Von mises等效應(yīng)力分析結(jié)果。

將仿真分析結(jié)果列于表3中。

由表3的結(jié)果可知，傳感器按振動譜沿三軸向功能振動時最大等效應(yīng)力分別為4.386MPa、4.442MPa和0.489MPa，受到最大應(yīng)力部位為退刀槽臺階處，應(yīng)力水平遠小于不銹鋼材料的屈服強度（196MPa），屈服安全系數(shù)高于44，產(chǎn)品整體承受的應(yīng)力水平較低，不會發(fā)生斷裂失效。從變形程度來看，沿三軸向功能振動時，位移最大值僅為0.00067mm、0.00067mm和0.000024mm，均發(fā)生套管端部位置，位移量非常小可忽略。整體應(yīng)變量非常小，僅為0.00075%、0.00069%和0.000187%?？傮w而言，傳感器承受振動載荷時的應(yīng)力水平和變形量都非常低，不會發(fā)生斷裂失效，傳感器結(jié)構(gòu)能夠滿足強度要求。

4 結(jié)束語

文章利用仿真分析軟件ANSYS對某型溫度傳感器的振動特性進行了分析和校核，以確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性，得到以下結(jié)論：

（1）傳感器的固有頻率較高，前6階固有頻率均在2000Hz以

上，因此當產(chǎn)品所承受的振動載荷頻率在15Hz～2000Hz以時，不會因為共振而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效的可能。

（2）傳感器按功能振動譜承受沿三軸向的隨機振動載荷時，其

應(yīng)力水平和變形量都非常低，屈服安全系數(shù)均在44以上，振動載荷對傳感器結(jié)構(gòu)可靠性影響不大，因此該結(jié)構(gòu)具有足夠的強度。

參考文獻

[1]姚起杭.姚軍防止結(jié)構(gòu)振動疲勞的設(shè)計技術(shù)[J].飛機工程，2006，3：9-11.

[2]郭建平，任康，楊龍，等.基于MSC.Fatigue的電子設(shè)備隨機振動疲勞分析[J].航空計算技術(shù)，2008，28（4）：48-50.

[3]黃康，仰榮德.基于ANSYS的汽車橫向穩(wěn)定桿疲勞分析[J].機械設(shè)計，2008，25（12）：66-68.

[4]徐灝.疲勞強度[M].北京：高等教育出版社，1988.