李文志， 慎利峰，王云峰，張敬瑩

（1.中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041； 2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

引言

機(jī)載顯控臺(tái)需要安裝大量的電子設(shè)備，因此，顯控臺(tái)必須提供良好的抗振環(huán)境，才能使安裝的電子設(shè)備具有高可靠性。由于載機(jī)平臺(tái)對(duì)安裝在其上設(shè)備的體積和重量均有嚴(yán)格限制，因此，機(jī)載顯控臺(tái)必須控制其自身的尺寸及重量[1]。機(jī)載顯控臺(tái)設(shè)計(jì)通常需考慮以下兩個(gè)方面：

1）抗振特性：顯控臺(tái)機(jī)架剛強(qiáng)度好，固有頻率需避開輸入譜的窄帶，機(jī)架材料的安全系數(shù)應(yīng)盡可能大，一般應(yīng)為1.2。

2）重量：在滿足載機(jī)安裝空間限制和使用要求的前提下，顯控臺(tái)機(jī)架的重量越小越好。

本文基于優(yōu)化仿真技術(shù)對(duì)某型顯控臺(tái)進(jìn)行有限元建模，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，并對(duì)顯控臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，找出設(shè)計(jì)的薄弱位置，以此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)載振動(dòng)環(huán)境

機(jī)載顯控臺(tái)的載機(jī)一般為運(yùn)輸機(jī)，運(yùn)輸機(jī)的振動(dòng)譜通常為窄帶和寬帶疊加的振動(dòng)譜，圖1為某型螺旋槳飛機(jī)的振動(dòng)譜，其中L0=0.3 g2/Hz。

圖1 螺旋槳飛機(jī)振動(dòng)譜

2 機(jī)載顯控臺(tái)設(shè)計(jì)

某型顯控臺(tái)設(shè)計(jì)效果圖見圖2。顯控臺(tái)主體框架采用鋁板5A05折彎焊接成型，主要分上框架和下框架兩部分，主體材料壁厚為2.5 mm。顯控臺(tái)寬度為900 mm，深度為670 mm，高度為1 330 mm。顯控臺(tái)上安裝的主要設(shè)備為1塊27 in顯示器、操作面板和鍵盤/軌跡球。

3 有限元建模

3.1 材料參數(shù)

顯控臺(tái)機(jī)架主體材料為鋁鈑金5A05（O），其密度為2 700 kg /m3，泊松比為0.33，彈性模量為71 Gpa，屈服極限為130 MPa，抗拉強(qiáng)度為255 MPa[2]。

3.2 有限元模型

顯控臺(tái)機(jī)架材料必須工作在彈性范圍內(nèi)，所以在仿真計(jì)算及求解過程中均只關(guān)注彈性變形，而不關(guān)注材料塑性變形的影響。

有限元模型的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響仿真的結(jié)果，但顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有限元建模時(shí)必須進(jìn)行簡(jiǎn)化。建模時(shí)一般參照如下基本原則：

1） 顯控臺(tái)上安裝設(shè)備的位置、重量、尺寸與實(shí)際情況完全一致；

2）去除模型中不必要的點(diǎn)、線、面及倒角、圓角等信息，但顯控臺(tái)框架的主承力件的材料、尺寸、結(jié)構(gòu)形式不能簡(jiǎn)化；

3）模型的安裝固定方式必須與工作狀態(tài)保持一致[3]。

參照上述原則在Ansys軟件中對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行有限元建模，顯控臺(tái)主體框架材料為鋁合金鈑金件，因此采用SHELL63殼單元；顯示器等設(shè)備用等質(zhì)量塊代替，采用SOLID45體單元；顯控臺(tái)下框架左右支撐梁、上框架的所有加強(qiáng)筋均與設(shè)計(jì)保持一致。顯控臺(tái)有限元模型參見圖3。

圖2 顯控臺(tái)效果圖

圖3 顯控臺(tái)有限元模型

3.3 約束條件

裝機(jī)時(shí)顯控臺(tái)采用底部和背部剛性連接的方式與載機(jī)連接固定。在有限元模型上施加與實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)一致的固定方式，約束顯控臺(tái)底部和背部固定點(diǎn)六個(gè)方向的自由度。

4 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有的頻率和振型，也是在后續(xù)隨機(jī)振動(dòng)仿真分析時(shí)所必需的數(shù)據(jù)[4]。因此，本次仿真取計(jì)算所得的前10階模態(tài)，見表1。

通過計(jì)算表明，顯控臺(tái)的第1階模態(tài)為52.98 Hz，主要為顯控臺(tái)左右方向的振動(dòng)，振型參見圖4；第4階模態(tài)固有頻率為192.12 Hz，振型參見圖5，為顯控臺(tái)前后方向的扭轉(zhuǎn)；其他階次為局部模態(tài)，主要表現(xiàn)為顯控臺(tái)的局部振動(dòng)。

對(duì)比圖1中的飛機(jī)實(shí)際振動(dòng)譜，可以看出顯控臺(tái)前10階固有頻率避開了實(shí)際振動(dòng)譜的窄帶，能夠避免與載機(jī)共振。

表1 顯控臺(tái)的前10階固有頻率

圖4 第1階模態(tài)

圖5 第4階模態(tài)

5 振動(dòng)分析

在顯控臺(tái)與載機(jī)的連接點(diǎn)分別輸入X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)譜（見圖1）。顯控臺(tái)各方向在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的3σVon Mises應(yīng)力響應(yīng)幅值統(tǒng)計(jì)見表2及圖6～8。

計(jì)算結(jié)果顯示，Y方向（即顯控臺(tái)的垂直方向）振動(dòng)時(shí)，顯控臺(tái)機(jī)架的應(yīng)力響應(yīng)幅值最大，出現(xiàn)在顯控臺(tái)底部固定點(diǎn)，此處即為顯控臺(tái)設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)。對(duì)照3.1節(jié)中鋁鈑金5A05（O）的屈服極限為130 MPa，可見顯控臺(tái)主體材料在輸入振動(dòng)條件下可以滿足要求，此時(shí)的安全系數(shù)為1.03，安全系數(shù)太小，需要進(jìn)行局部加強(qiáng)。

表2 各方向3σVon Mises應(yīng)力響應(yīng)幅值

圖6 X向3σVon Mises應(yīng)力圖

6 優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖7 Y向3σVon Mises應(yīng)力圖

圖8 Z向3σVon Mises應(yīng)力圖

經(jīng)過上述仿真分析可知，顯控臺(tái)機(jī)架的最大應(yīng)力發(fā)生在底部與載機(jī)的連接部位，以及上框架安裝顯示器處的加強(qiáng)筋位置。對(duì)顯控臺(tái)設(shè)計(jì)薄弱位置進(jìn)行局部加強(qiáng)，增加底部連接面的厚度，改進(jìn)顯示器位置加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式，重新建模并仿真分析，Y方向應(yīng)力分布見圖9，優(yōu)化后最大應(yīng)力降為99.1 MPa，此時(shí)安全系數(shù)為1.3，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 改進(jìn)后Y方向振動(dòng)時(shí)應(yīng)力響應(yīng)幅值

7 結(jié)論

本文對(duì)某型顯控臺(tái)的模型進(jìn)行了模態(tài)和振動(dòng)仿真分析。通過模態(tài)仿真，可以看出顯控臺(tái)前10階固有頻率能夠避開載機(jī)振動(dòng)的窄帶，可以避免共振；通過振動(dòng)仿真分析，可以找出顯控臺(tái)設(shè)計(jì)的薄弱位置，即顯控臺(tái)垂直方向振動(dòng)時(shí)，顯控臺(tái)機(jī)架的應(yīng)力最大，此時(shí)安全系數(shù)為1.03，安全系數(shù)太小。通過對(duì)找出的薄弱位置進(jìn)行局部加強(qiáng)并重新仿真分析，安全系數(shù)提高為1.3，滿足了設(shè)計(jì)要求。

以上分析方法可用于其他機(jī)載產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。