李文志， 慎利峰，王云峰，張敬瑩

（1.中國電子科學研究院，北京 100041； 2.中機生產(chǎn)力促進中心，北京 100044）

引言

機載顯控臺需要安裝大量的電子設(shè)備，因此，顯控臺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。由于載機平臺對安裝在其上設(shè)備的體積和重量均有嚴格限制，因此，機載顯控臺必須控制其自身的尺寸及重量[1]。機載顯控臺設(shè)計通常需考慮以下兩個方面：

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

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

本文基于優(yōu)化仿真技術(shù)對某型顯控臺進行有限元建模，對模型進行仿真分析，并對顯控臺的設(shè)計進行評估，找出設(shè)計的薄弱位置，以此進行優(yōu)化設(shè)計。

1 機載振動環(huán)境

機載顯控臺的載機一般為運輸機，運輸機的振動譜通常為窄帶和寬帶疊加的振動譜，圖1為某型螺旋槳飛機的振動譜，其中L0=0.3 g2/Hz。

圖1 螺旋槳飛機振動譜

2 機載顯控臺設(shè)計

某型顯控臺設(shè)計效果圖見圖2。顯控臺主體框架采用鋁板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。顯控臺寬度為900 mm，深度為670 mm，高度為1 330 mm。顯控臺上安裝的主要設(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)

顯控臺機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，抗拉強度為255 MPa[2]。

3.2 有限元模型

顯控臺機架材料必須工作在彈性范圍內(nèi)，所以在仿真計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。

有限元模型的準確性會直接影響仿真的結(jié)果，但顯控臺結(jié)構(gòu)復雜，有限元建模時必須進行簡化。建模時一般參照如下基本原則：

1） 顯控臺上安裝設(shè)備的位置、重量、尺寸與實際情況完全一致；

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

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軟件中對顯控臺進行有限元建模，顯控臺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；顯控臺下框架左右支撐梁、上框架的所有加強筋均與設(shè)計保持一致。顯控臺有限元模型參見圖3。

圖2 顯控臺效果圖

圖3 顯控臺有限元模型

3.3 約束條件

裝機時顯控臺采用底部和背部剛性連接的方式與載機連接固定。在有限元模型上施加與實際裝機狀態(tài)一致的固定方式，約束顯控臺底部和背部固定點六個方向的自由度。

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)隨機振動仿真分析時所必需的數(shù)據(jù)[4]。因此，本次仿真取計算所得的前10階模態(tài)，見表1。

通過計算表明，顯控臺的第1階模態(tài)為52.98 Hz，主要為顯控臺左右方向的振動，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)為顯控臺的局部振動。

對比圖1中的飛機實際振動譜，可以看出顯控臺前10階固有頻率避開了實際振動譜的窄帶，能夠避免與載機共振。

表1 顯控臺的前10階固有頻率

圖4 第1階模態(tài)

圖5 第4階模態(tài)

5 振動分析

在顯控臺與載機的連接點分別輸入X、Y、Z三個方向的振動譜（見圖1）。顯控臺各方向在整個頻率范圍內(nèi)的3σVon Mises應(yīng)力響應(yīng)幅值統(tǒng)計見表2及圖6～8。

計算結(jié)果顯示，Y方向（即顯控臺的垂直方向）振動時，顯控臺機架的應(yīng)力響應(yīng)幅值最大，出現(xiàn)在顯控臺底部固定點，此處即為顯控臺設(shè)計薄弱點。對照3.1節(jié)中鋁鈑金5A05（O）的屈服極限為130 MPa，可見顯控臺主體材料在輸入振動條件下可以滿足要求，此時的安全系數(shù)為1.03，安全系數(shù)太小，需要進行局部加強。

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

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，顯控臺機架的最大應(yīng)力發(fā)生在底部與載機的連接部位，以及上框架安裝顯示器處的加強筋位置。對顯控臺設(shè)計薄弱位置進行局部加強，增加底部連接面的厚度，改進顯示器位置加強筋的結(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，此時安全系數(shù)為1.3，滿足設(shè)計要求。

圖9 改進后Y方向振動時應(yīng)力響應(yīng)幅值

7 結(jié)論

本文對某型顯控臺的模型進行了模態(tài)和振動仿真分析。通過模態(tài)仿真，可以看出顯控臺前10階固有頻率能夠避開載機振動的窄帶，可以避免共振；通過振動仿真分析，可以找出顯控臺設(shè)計的薄弱位置，即顯控臺垂直方向振動時，顯控臺機架的應(yīng)力最大，此時安全系數(shù)為1.03，安全系數(shù)太小。通過對找出的薄弱位置進行局部加強并重新仿真分析，安全系數(shù)提高為1.3，滿足了設(shè)計要求。

以上分析方法可用于其他機載產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。