阮翔，鄭宏軍，葉棟，吳波，肖偉

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

艦船在海上航行，由于艦船本身的振動、海浪和風(fēng)的影響，運動較為復(fù)雜，此時，裝載在艦船上的監(jiān)控設(shè)備會受到相關(guān)外部載荷的影響。因此，需要對監(jiān)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)進行可靠性設(shè)計，保證其結(jié)構(gòu)能夠滿足艦載相關(guān)振動指標(biāo)。

目前監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計主要依靠經(jīng)驗設(shè)計結(jié)合試驗進行反復(fù)驗證、定位故障從而進行產(chǎn)品優(yōu)化，但是很多結(jié)構(gòu)件試驗后并不會出現(xiàn)外部損傷，但是內(nèi)部已出現(xiàn)裂痕、損傷，通過試驗難以判斷薄弱點并進行優(yōu)化設(shè)計，且通過反復(fù)試驗周期長、成本高。針對此問題，通過ANSYS仿真技術(shù)，可對故障設(shè)備快速定位故障，然后進行優(yōu)化設(shè)計，保證設(shè)備在滿足艦載振動指標(biāo)的前提下，同時進行輕量化設(shè)計，最后與試驗結(jié)構(gòu)進行對比驗證，保證監(jiān)控設(shè)備滿足艦載振動指標(biāo)。

1 某監(jiān)控設(shè)備的組成

該監(jiān)控設(shè)備主要由安裝支架、底座組件、方位組件、俯仰組件四部分組成。通過安裝支架與艦船進行固定使用，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 某監(jiān)控設(shè)備的組成示意圖

設(shè)備整機結(jié)構(gòu)件主要由三種金屬材料組成，其中外殼采用鋁合金5083 為基材加工，軸承座和軸采用不銹鋼316L 加工制作，軸承材料為軸承鋼，根據(jù)廠家提供材料確認(rèn)各材料相關(guān)屬性見表1。

表1 材料屬性

2 故障分析

2.1 艦載振動試驗

對該監(jiān)控設(shè)備搭建振動試驗平臺，并在監(jiān)控設(shè)備俯仰組件前面板上安裝加速度傳感器[1]，對試驗平臺加載艦載振動指標(biāo)，試驗指標(biāo)見表2，試驗時間為單方向2 h。

表2 艦載振動指標(biāo)

試驗時監(jiān)控設(shè)備成像出現(xiàn)失焦異常，加速度傳感器測得最大加速度為14.8 g；而根據(jù)機芯使用說明書要求本機芯可承受最大不失焦加速度為8 g，即設(shè)備試驗時加速度已超過機芯可承受加速度范圍，故而設(shè)備出現(xiàn)失焦現(xiàn)象。整機晃動嚴(yán)重，拆卸整機后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件外部可見明顯損傷，無法直觀判斷具體結(jié)構(gòu)件問題。

2.2 基于ANSYS 的故障分析

ANSYS 作為一款高端通用有限元分析軟件，可以通過仿真分析解決產(chǎn)品在設(shè)計中的線性/非線性強度、剛度、疲勞、振動、優(yōu)化、可靠性等問題，提供一體化解決方案。通過利用有限元分析法，對結(jié)構(gòu)進行有效地劃分，在穩(wěn)定運動狀態(tài)下，各個節(jié)點達到動力平衡狀態(tài)[2]。針對上述監(jiān)控設(shè)備試驗的故障問題，ANSYS 分析將主要以諧響應(yīng)分析為主，具體包括幾何建模、接觸定義、網(wǎng)格劃分、模態(tài)仿真、諧響應(yīng)仿真分析共5 個步驟。

2.2.1 幾何建模

監(jiān)控設(shè)備要進行諧響應(yīng)分析計算，網(wǎng)格的質(zhì)量關(guān)系到模型計算的時間以及計算能否正常收斂，獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格需先對原始幾何模型中結(jié)構(gòu)強度影響較小的部分進行簡化處理。針對零件上一些較小的無功能性結(jié)構(gòu)部分進行簡化去除，例如螺紋孔、圓角、倒角等，針對一些不會影響結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果的結(jié)構(gòu)件可直接去除，例如墊片、密封圈等。簡化模型后，需要根據(jù)原模型質(zhì)量對簡化后的模型增加質(zhì)點，保證設(shè)備整體重量不變，同時按照表1 對各結(jié)構(gòu)件添加材料屬性。

2.2.2 接觸定義

按照實際幾何結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系和位置對監(jiān)控設(shè)備的有限元模型進行接觸定義。在本模型中，除軸承外其余結(jié)構(gòu)連接采用剛性連接，不考慮連接的失效問題；軸承采用No Separation 連接，法向約束，切向可輕微移動。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

監(jiān)控設(shè)備整體輪廓尺寸較小，因此要劃分高質(zhì)量的體單元網(wǎng)格，網(wǎng)格需要進行嚴(yán)格的控制。劃分網(wǎng)格采用中等網(wǎng)格劃分，劃分后通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查，對其中網(wǎng)格質(zhì)量劃分較差的結(jié)構(gòu)件進行修正。最終得到整個監(jiān)控設(shè)備的有限元網(wǎng)格模型。

2.2.4 模態(tài)仿真分析

由于對監(jiān)控設(shè)備的頻率響應(yīng)有嚴(yán)格要求，監(jiān)控設(shè)備固有頻率的高低將直接決定艦載振動指標(biāo)下監(jiān)控設(shè)備是否會出現(xiàn)共振，所以監(jiān)控設(shè)備固有特性的分析是非常必要的。模態(tài)分析作為結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基礎(chǔ)，模態(tài)分析得到的固有振型和固有頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性，直接體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在動力學(xué)環(huán)境中的振動形式[3]。通過對上述模型根據(jù)實際安裝情況，在安裝支架安裝孔施加固定約束。GJB 150.16A-2009[4]是我國軍用設(shè)備進行振動試驗的主要參考和引用標(biāo)準(zhǔn)，其中A.2.3.11“第21 類-船-艦船”中，羅列了艦船設(shè)備的振動試驗振動暴露量級和試驗時間要求。由于艦載指標(biāo)為（1 ～60）Hz[5]，故計算監(jiān)控設(shè)備（0 ～2 000）Hz 內(nèi)的固有模態(tài)，計算后提取前六階固有模態(tài)，前六階固有模態(tài)見表3，前六階振型見圖2。

表3 前六階固有頻率

圖2 前六階振型圖

通過表3 可知，監(jiān)控設(shè)備在艦載振動范圍1 到60 Hz內(nèi)存在多個共振點。

2.2.5 諧響應(yīng)仿真分析

根據(jù)實際試驗狀態(tài)，對模型安裝支架底部施加艦載振動載荷，軟件中載荷均轉(zhuǎn)化為加速度載荷；即1 Hz 時加速度0.04 m/s2，16Hz 時加速度10 m/s2，60 Hz 時加速度10 m/s2。根據(jù)電子設(shè)備相關(guān)要求，設(shè)定阻尼系數(shù)為0.025。計算后得到整機三個坐標(biāo)方向應(yīng)力云圖，見圖3；提取整機三個坐標(biāo)方向俯仰組件前面板加速度云圖，見圖4；提取各方向最大應(yīng)力值及加速度，見表4。

表4 三方向最大應(yīng)力及加速度值

圖3 整機最大應(yīng)力云圖

圖4 俯仰組件前面板最大加速度云圖

從圖中可以看出，俯仰組件前面最大加速度仿真計算值與試驗采集結(jié)果14.8 g 一致，仿真計算結(jié)果可靠。整機在 X 向受應(yīng)力最大，提取各類型結(jié)構(gòu)件計算結(jié)果，應(yīng)力云圖見圖5，最大應(yīng)力值見表5。

表5 各材料最大應(yīng)力值

圖5 各材料最大應(yīng)力云圖

2.3 故障分析結(jié)論

通過上述仿真結(jié)果對比表1 各材料屬性可知，當(dāng)監(jiān)控設(shè)備受到艦載振動之后，外殼受到應(yīng)力最大為113 Mpa，雖然未達到鋁合金5083 屈服極限，但是安全系數(shù)只有1.4，存在一定的危險性；軸承座和軸受到最大應(yīng)力為503.6 Mpa 已經(jīng)超過不銹鋼316 的屈服極限，發(fā)生不可逆塑性形變；軸承受到最大應(yīng)力為113.5 Mpa，屬于安全范圍。

因此，在受到連續(xù)6 h 三個方向艦載振動試驗下，監(jiān)控設(shè)備由于累計應(yīng)力和變形加劇了材料本身的損傷，從而導(dǎo)致整機外殼強度下降，以及軸承座和軸的塑性變形，從而整機出現(xiàn)嚴(yán)重晃動，機芯受到的加速度超過機芯所能承受的最大承載值，從而影響了監(jiān)控設(shè)備的成像質(zhì)量。

3 基于ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計

通過上述仿真分析可知，要使監(jiān)控設(shè)備滿足艦載振動指標(biāo)，需要增強外殼、軸承座和軸的抗振動能力或者降低整機的振動能量影響。

一般情況下，增強結(jié)構(gòu)抗振動能力主要通過增加應(yīng)力集中位置的強度，具體操作分兩種，一種是改變結(jié)構(gòu)件材料，采用更高強度的材料，但是需要對材料等進行多項評估，成本太高。另一種是改變結(jié)構(gòu)形式，增加應(yīng)力集中點的壁厚、加增加強筋等，同時為了不改變整機重量，可以降低非應(yīng)力集中點的厚度，實現(xiàn)整機重量不增加的情況下，讓整機結(jié)構(gòu)強度增加。

降低整機的振動能量影響，可以改變支架的長度，縮短支撐臂，增大整機的一階固有模態(tài)，避免在艦載振動指標(biāo)范圍內(nèi)出現(xiàn)共振問題，從而降底能量的放大；同時需要保證支撐臂處線纜轉(zhuǎn)彎的最小半徑，保證線纜的正常插拔。

采用同樣的ANSYS 仿真步驟，通過上述改進方法多次改進設(shè)計，得到整機最終狀態(tài)。提取最終改進后整機仿真結(jié)果，一階固有頻率云圖，俯仰組件前面板加速度云圖、X 軸最大應(yīng)力云圖，見圖6 ～8，提取計算結(jié)果與改進前對比，見表6 所示。

表6 仿真結(jié)果對比

圖6 一階固有模態(tài)

圖7 俯仰組件前面加速度云圖

圖8 各材料最大應(yīng)力云圖

可以得出，整機的改進后，整機一階模態(tài)已經(jīng)大于60 Hz，在艦載振動指標(biāo)內(nèi)60 Hz 內(nèi)不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象；加速度低于機芯8 g 要求，相機不會出現(xiàn)失焦問題；所有結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)均大于2，不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件損傷問題；理論上已經(jīng)完全不影響監(jiān)控設(shè)備的使用功能。

4 試驗驗證及結(jié)論

將改進優(yōu)化設(shè)計的新監(jiān)控設(shè)備，采用相同試驗平臺，進行艦載振動試驗；試驗結(jié)果顯示新監(jiān)控設(shè)備無失焦問題，成像清晰，整機基本無晃動，加速度傳感器采集到加速度為4.9 g 小于機芯可承受最大加速度8 g；設(shè)備通過艦載振動試驗。即通過ANSYS 仿真應(yīng)用可快速定位設(shè)備故障位置，從而進行設(shè)備優(yōu)化設(shè)計，解決了傳統(tǒng)試驗檢驗方法的不確定性，降低了試驗的時間和資金成本，并較大提升了設(shè)備的可靠性。