楊春林， 王婧

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

0 引言

隨機(jī)振動是工程技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)常遇到的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，隨機(jī)振動已成為電子設(shè)備工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的課題。以前的很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是由具有豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員憑借主觀判斷或者是僅僅做一些簡單的結(jié)構(gòu)計(jì)算，設(shè)備一旦定型，還會作為后續(xù)模板在其他項(xiàng)目中被模仿。但是隨著實(shí)際工程的振動環(huán)境越來越復(fù)雜，同時對設(shè)備輕量化要求的不斷提高，需要采用更加現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段來對設(shè)備進(jìn)行抗振優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文對ATR機(jī)架的設(shè)計(jì)采用了系統(tǒng)工程，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖等廣泛使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，開展數(shù)字化設(shè)計(jì)。通過UG建立整機(jī)三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行隨機(jī)振動分析，使設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)之前就掌握設(shè)備的應(yīng)力應(yīng)變等特性，可及時對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免試驗(yàn)后的重大改動，提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，有效降低產(chǎn)品成本。

1 ANSYS Workbench隨機(jī)振動分析簡介

有限元是力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科綜合發(fā)展和結(jié)合的產(chǎn)物。它的實(shí)質(zhì)是將復(fù)雜的連續(xù)體劃分為有限個簡單的單元體，化無限自由度問題為有限自由度問題，將連續(xù)場函數(shù)的（偏）微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為有限個參數(shù)的代數(shù)方程組的求解問題[1]。

ANSYS Workbench是ANSYS公司在ANSYS軟件基礎(chǔ)上推出的一種集成框架，它整合現(xiàn)有的各種應(yīng)用，并將仿真過程結(jié)合在一起。其中的隨機(jī)振動分析（Random Vibration）模塊廣泛應(yīng)用于機(jī)載電子設(shè)備、聲學(xué)裝載部件、抖動光學(xué)對準(zhǔn)設(shè)計(jì)等行業(yè)。

2 非標(biāo)ATR安裝架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ATR機(jī)架是用在機(jī)載機(jī)柜系統(tǒng)中，用來實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備在機(jī)柜上的安全、方便和快速安裝拆卸。作為機(jī)載設(shè)備與機(jī)柜之間的安裝件，安裝架直接影響設(shè)備的可靠性。由于機(jī)載系統(tǒng)的機(jī)械環(huán)境較為惡劣，系統(tǒng)對產(chǎn)品的要求也非常高，這在一定程度上限制了安裝架材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇，因此ATR機(jī)架既要結(jié)構(gòu)合理、重量輕，同時也要具有較高的剛度和強(qiáng)度，滿足有限空間、重量以及嚴(yán)酷環(huán)境的要求。

安裝架為“口”字形結(jié)構(gòu)，外形尺寸為490 mm（寬）×43 mm（高）×504.5 mm（深）。架上安裝的設(shè)備總重量為10 kg，通過安裝架與機(jī)柜連接。安裝架主要由機(jī)柜連接件、側(cè)板、后定位件、前鎖緊件構(gòu)成。

圖1 安裝架上設(shè)備示意圖

圖2 安裝架示意圖

設(shè)備從前向后采取推入式安裝，當(dāng)后面板的導(dǎo)銷與安裝架的導(dǎo)套安裝面緊密配合時設(shè)備即安裝到位，然后將安裝架的前鎖緊裝置和設(shè)備前面的緊定鉤配合，這樣前后配合的安裝方式，即可將ATR設(shè)備緊密固定在機(jī)架上，從而固定在機(jī)柜上。為避免設(shè)備推入時將設(shè)備底面劃傷，在安裝架與設(shè)備之間設(shè)計(jì)了聚四氟乙烯的墊板。

3 安裝架有限元分析

3.1 有限元模型的建立

結(jié)構(gòu)模型建立后，需要對結(jié)構(gòu)模型做適當(dāng)?shù)暮喕?。根?jù)有限元理論，需要刪除或抑制某些對實(shí)際問題研究影響較小的特征，減少模型的特征數(shù)，以降低網(wǎng)格單元總數(shù)，有效利用計(jì)算資源，縮短計(jì)算時間。建立簡化的、正確的有限元模型是有限元分析的先決條件。

本文用到的簡化模型的方法主要有以下幾種：1）在UG中刪除對分析影響較小的小孔、小的凸臺；2）將對分析影響較小的倒角、圓角進(jìn)行適當(dāng)處理；3）刪除螺栓、螺釘?shù)刃√卣鳎挠眠m當(dāng)?shù)慕佑|約束代替。

在對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化后，本文在ANSYS Workbench中建立的有限元模型如圖3所示，其中架上設(shè)備簡化為與實(shí)際設(shè)備等質(zhì)量、等體積且質(zhì)心重合的空心鋁合金體，網(wǎng)格單元數(shù)量為196 037，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為366 610。

圖3 安裝架及設(shè)備的有限元模型

3.2 材料特性

ATR安裝架采用的材料主要是鋁合金5A06和不銹鋼1Cr18Ni9Ti，材料力學(xué)性能如表1所示[2]。

表1 材料特性參數(shù)

3.3 隨機(jī)振動環(huán)境條件

隨機(jī)振動的獨(dú)特之處是，在給定帶寬內(nèi)的所有頻率自始至終在任一瞬時都會出現(xiàn)在隨機(jī)振動中。這就意味著，當(dāng)一個電子系統(tǒng)經(jīng)受一個頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動環(huán)境時，電子系統(tǒng)在相同帶寬內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)諧振頻率都將同時受到激發(fā)。

電子工業(yè)界中通常使用功率譜密度P（或均方根加速度密度）作為隨機(jī)振動環(huán)境的單位，它用重力單位進(jìn)行測量，因此沒有量綱。功率譜密度的公式如下：P=a2/f。其中：a為加速度，f為頻率。

10g的加速度水平意味著加速度具有10倍于重力加速度的量值。

根據(jù)相關(guān)環(huán)境適應(yīng)性要求，安裝架及設(shè)備采用寬帶加窄帶的隨機(jī)振動曲線譜進(jìn)行試驗(yàn)，振動圖譜如圖4所示。

圖4 隨機(jī)振動譜線

3.4 隨機(jī)振動分析

表2 模態(tài)分析結(jié)果

將有限元模型建立好后，對有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動分析，提取前5階模態(tài)參數(shù)如表2所示。

對分析的結(jié)果施加圖4所示的激勵條件，可以得到安裝架的X、Y、Z方向的應(yīng)力云圖，云圖如圖5所示。

圖5 X/Y/Z方向應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后安裝架結(jié)構(gòu)

4 安裝架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖5所示，計(jì)算的最大結(jié)果分別為X方向的263 MPa,Y方向的425.73 MPa，Z方向的152.68 MPa，而且最大值都出現(xiàn)在安裝架與機(jī)柜連接件的彎角處，機(jī)柜連接件的許用應(yīng)力為250 MPa，顯然X方向和Y方向的計(jì)算應(yīng)力都大于材料許用應(yīng)力，不能滿足設(shè)計(jì)要求，必須對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)前面的分析結(jié)果，需要對安裝架應(yīng)力超出許用應(yīng)力部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過綜合考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)如圖6所示，在連接件彎角部分增加了加強(qiáng)筋，而且將連接件靠近彎頭處的螺釘盡可能向兩端移動，通過這兩項(xiàng)措施增加零件本身薄弱環(huán)節(jié)的強(qiáng)度。

4.2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動分析

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動分析，與之前進(jìn)行的內(nèi)容一樣，提取前5階模態(tài)參數(shù)如表3所示。同樣對分析模型施加圖4所示的激勵條件，可以得到其X、Y、Z方向的應(yīng)力云圖。

分析結(jié)果顯示，最大應(yīng)力分別為X方向的64.48 MPa，Y方向的83.4 MPa，Z方向的38.73 MPa，連接件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，許用應(yīng)力為250 MPa，安全系數(shù)n=250/83.4=3＞2，還有較大的安全裕量。

5 結(jié)語

本文通過ANSYS Workbench對ATR機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析和有限元分析，并在分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對比優(yōu)化前后的分析結(jié)果，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到明顯的改善，應(yīng)力水平大幅下降，X方向應(yīng)力值下降了75.5%，Y方向應(yīng)力值下降了80.4%，Z方向應(yīng)力值下降了74.6%。說明經(jīng)過優(yōu)化后的ATR安裝架結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)備環(huán)境條件，而且具有較大的安全系數(shù)。

[1]丁科，陳月順.有限單元法[M].北京：北京大學(xué)出版社,2007.

[2]工程材料實(shí)用手冊編輯委員會.工程材料實(shí)用手冊[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.