楊 嬌， 吳柯銳， 李 婷

（1.國(guó)營(yíng)785廠(chǎng)第三研究所， 山西 太原 030024；2.空軍駐山西地區(qū)軍事代表室， 山西 太原 030024）

引言

隨著加固顯示器的使用環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)苛，對(duì)加固顯示器自身抗振能力的要求也越來(lái)越高。為了保證設(shè)備的可靠性，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，振動(dòng)支架作為加固顯示器進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的載體，因此對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少。本文利用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks對(duì)振動(dòng)支架進(jìn)行實(shí)體建模，然后導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，較傳統(tǒng)方法具有時(shí)間短、成本低的特點(diǎn)。

1 建立模型

1.1 研究對(duì)象

加固顯示器振動(dòng)支架的傳統(tǒng)加工方法是鑄造，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較小的支架尤為適合，但缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)，成本較高。為了節(jié)約成本，縮短研發(fā)周期，本文設(shè)計(jì)了一種采用平板拼裝結(jié)構(gòu)的振動(dòng)支架，材料選用鋁合金，其外形尺寸為400 mm×500 mm×400 mm，創(chuàng)建的實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 實(shí)體模型

1.2 有限元模型

ANSYS中的Workbench模塊能與Solidworks中建立的三維實(shí)體模型進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，但在導(dǎo)入模型前需要先將實(shí)體模型導(dǎo)入到SCDM模塊中進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理[1]，將一些對(duì)分析結(jié)果影響不大的特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，如模型中緊固用的螺釘、螺釘孔、倒圓。模型完成簡(jiǎn)化后，在ANSYS Workbench模塊下進(jìn)行分析，將模型材料設(shè)置為鋁合金，同時(shí)對(duì)所選材料的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2 770 kg/m3，網(wǎng)格單元類(lèi)型采用四面體與六面體混合網(wǎng)格，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為87 790，單元數(shù)為38 473。

1.3 約束條件

實(shí)際工況下，該型振動(dòng)支架通過(guò)螺釘與振動(dòng)臺(tái)固定，故在分析中對(duì)振動(dòng)支架上的底部螺釘連接面施加約束。其他拼接板之間通過(guò)螺釘緊固，但為了降低計(jì)算量且保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在各個(gè)板之間添加了接觸的約束。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，可用于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前預(yù)先避免可能引起的共振。在對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，頻率越低，權(quán)重越大，即低階模態(tài)特性基本決定了產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能[2]。本文將通過(guò)兩種方法確定振動(dòng)支架的固有頻率：一種是理論計(jì)算，另一種是有限元計(jì)算，對(duì)比兩種結(jié)果，驗(yàn)證正確性。

2.1 有限元計(jì)算

在本次模態(tài)分析中，只關(guān)心低階模態(tài)及其振型，故將模態(tài)階數(shù)設(shè)置為6。經(jīng)仿真，得到模型前六階模態(tài)數(shù)的固有頻率和振型，頻率和振型描述見(jiàn)表1。限于篇幅文中只給出了第2階的模態(tài)振型圖，如圖2所示。

2.2 理論分析

表1 前六階頻率和振型

圖2 2階模態(tài)振型

該振動(dòng)支架橫截面可近似看作是工字型結(jié)構(gòu)，故其慣性矩大小為：

式中：B=400 mm；b=180 mm；H=400 mm；h=350 mm。

換算后求得I=1.49×10-3m4。

振動(dòng)支架整體近似成一個(gè)勻質(zhì)簡(jiǎn)單支撐梁，其垂直于固定方向的固有頻率為[3]：

式中：E=70 GPa（鋁合金彈性模量）；g=9.8 m/s2（重力加速度）；W=381 N（質(zhì)量）；L=400 mm（長(zhǎng)度）；

將各參數(shù)的值代入頻率計(jì)算公式，得fn=455.7 Hz。

理論計(jì)算結(jié)果與模態(tài)分析結(jié)果542.59 Hz相近，誤差在20%之內(nèi)，說(shuō)明模態(tài)計(jì)算的結(jié)果可信。

3 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析是指機(jī)構(gòu)在某種隨機(jī)激勵(lì)作用下，計(jì)算一些物理量（如位移和應(yīng)變）的概率分布狀況[1]。本文根據(jù)GJB150.16A—2009的規(guī)定，采用組合輪式車(chē)振動(dòng)載荷作為激勵(lì)，該激勵(lì)為PSD G加速度功率譜，頻率從0～500 Hz，與模型固有頻率范圍不重疊，說(shuō)明在該振動(dòng)條件下振動(dòng)支架與振動(dòng)臺(tái)不會(huì)發(fā)生共振。隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算完成后，得到振動(dòng)支架的等效應(yīng)力，應(yīng)力云圖如圖3所示，1σ水平的概率分布表明在68.269%的時(shí)間范圍內(nèi)該振動(dòng)支架的最大應(yīng)力在0.405 48 MPa以下，計(jì)算得到的應(yīng)變?cè)茍D，如圖4所示，1σ水平的概率分布表明在68.269%的時(shí)間范圍內(nèi)該振動(dòng)支架的最大變形在0.004 123 2 mm以下?？梢?jiàn)，振動(dòng)支架的應(yīng)力、應(yīng)變都較小，證明了該設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某加固顯示器振動(dòng)支架進(jìn)行模態(tài)分析，得到了振動(dòng)支架低階模態(tài)的頻率和振型，并利用理論分析結(jié)果驗(yàn)證了模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，并通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)分析，獲得了振動(dòng)支架在隨機(jī)振動(dòng)下的應(yīng)力、應(yīng)變特性。結(jié)果表明，拼接結(jié)構(gòu)的振動(dòng)支架是可行的，為振動(dòng)支架的設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

（編輯：趙琳琳）