韓東霏

(中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 1 3 7 0 0 1)

某設(shè)備箱在隨機特定激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

韓東霏

(中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 1 3 7 0 0 1)

某設(shè)備包裝箱體在批量生產(chǎn)前，需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。模態(tài)分析可得其結(jié)構(gòu)振動固有頻率數(shù)據(jù)，再通過進行車載環(huán)境下的橫側(cè)軸和垂直軸隨機振動P S D分析，得到相關(guān)的數(shù)值仿真結(jié)果，合理對其結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性進行預判，并為今后完善結(jié)構(gòu)提供科學依據(jù)，為振動試驗提供理論基礎(chǔ)。

設(shè)備箱；隨機激勵；結(jié)構(gòu)響應(yīng)

在運輸過程中，低頻振動易對精密器件造成機械性損傷，而合理的包裝箱設(shè)計可預防其因受到振動和機械沖擊而產(chǎn)生損壞。為預判某設(shè)備包裝箱設(shè)計缺陷、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和提高產(chǎn)品可靠性，在模擬隨機振動激勵條件下，對其整體動強度和加速度響應(yīng)進行數(shù)值分析。

分析可知其動態(tài)特性與應(yīng)力、應(yīng)變和振動頻率的關(guān)系，在預測振動響應(yīng)幅預和提高隔振設(shè)計效果等方面提供了理論支持，避免了材料浪費，縮短了設(shè)計周期和降低成本。

1 結(jié)構(gòu)模態(tài)方程分析

求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)需進行模態(tài)分析，對線性定常系統(tǒng)振動微分方程組解耦。重要參數(shù)即結(jié)構(gòu)固有頻率和振型，為動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定設(shè)計機構(gòu)或機器部件的振動特性。忽略箱體結(jié)構(gòu)阻尼對低階固有頻率和振型的影響，無阻尼自由振動方程。

解為位移幅值U的齊次方程為（2）式：

當系數(shù)行列式為0時，可得到非零解，即

2 某設(shè)備箱模態(tài)分析

2.1 頻率提取分析

將特征值數(shù)目設(shè)為至少3 0 0 0以上，能保證在頻率提取分析步中提取足夠數(shù)量的模態(tài)，所提取的最高頻率為1 2 4 0 6 Hz。當某設(shè)備箱底部固定時，振動的主要方向是Z方向。在Z方向上總的有效質(zhì)量為1 9.5 6 8 k g，模型的總質(zhì)量為2 1.7 4 2 3 2 k g，在Z方向上總有效質(zhì)量占可運動質(zhì)量的比例為9 0%，提取了足夠的模態(tài)。

圖1 R MS分布云圖

2.2 特定隨機激勵譜分布

將某設(shè)備箱底部固定于振動臺面上，從臺面底部輸入隨機振動加速度激勵，并在約束處施加三個方向的加速度功率譜激勵。當模擬結(jié)構(gòu)在隨機激勵載荷作用下的響應(yīng)分布時，構(gòu)件中較薄弱的部位容易導致結(jié)構(gòu)的失效。對模型在三個方向進行隨機振動分析，由于第1 0階諧振頻率超出隨機振動加速度激勵譜，故在橫側(cè)軸、垂直軸加速度響應(yīng)譜激勵下，給出滿足功率譜密度的模型在Z方向的RMS分布云圖（圖1）。

選取橫側(cè)軸、垂直軸激勵下，RMS分布云圖中所受應(yīng)力均較大的四點：左側(cè)壁底部節(jié)點2、左側(cè)壁與頂部交結(jié)處節(jié)點7 3、頂部凸起節(jié)點2 7 5與7 0 8、右側(cè)壁節(jié)點1 6 0 4和右側(cè)壁與底部交結(jié)處節(jié)點1 6 2 4，得到模型在所設(shè)定激勵情況下響應(yīng)頻率分布（圖2）。

從橫側(cè)軸、垂直軸激勵輸出譜中可知，頻率在小于和大于2 5 0 Hz時，各節(jié)點響應(yīng)比較緩和，與激勵輸入值比較接近。在2 0 0～2 5 0 Hz時，各節(jié)點響應(yīng)較強烈，結(jié)構(gòu)發(fā)生強烈響應(yīng)的頻率在其二階固有頻率附近。

圖2 節(jié)點Z方向在隨機激勵下的響應(yīng)分析

3 結(jié)論

通過模態(tài)分析和P S D可知，箱體結(jié)構(gòu)左、右側(cè)壁底端拐角處、頂部及左、右側(cè)壁中心處在隨機振動中出現(xiàn)破壞的機率較高。建議應(yīng)對其側(cè)壁底端拐角處、蓋體交結(jié)處及右側(cè)壁處進行材料強化，同時將拐角處變?yōu)閳A角，這樣能減少應(yīng)力集中產(chǎn)生，增加連接強度。在滿足要求的情況下，可考慮將應(yīng)力小的部分設(shè)計尺寸減小，提高材料利用率。

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