磋商运用ANSYS动力学仿真设计航空机箱

关键词： ANSYS 动力学仿真 振动剖析 航天加固打算机

多年来，随着电子技能的发展，越来越多的精密航空电子设备被加装到直升机平台。
据美国军方统计，约有55%的电子设备故障是与振动和冲击干系的，因此设备在直升机上事情的可靠性和稳定性问题也就越来越引起人们的关注。
伺服掌握盒作为伺服机构在载机平台的掌握中枢，其在动态振动载荷浸染下的强度、刚度是担保设备安全、稳定运行的条件条件，必须引起足够的重视。
文中针对某直升机载伺服掌握盒的构造，谈论了其振动环境特点。
首先，利用能量相等的准则将随机加正弦的振动谱转化为纯随机振动谱；然后，利用solidworks软件构建的三维模型，导入ANSYSWorkbenchDM进行几何前处理并划分网格；末了，利用ANSYS软件进行有限元剖析求解，得到掌握盒构造在直升机振动环境下的位移应力相应，并对构造的动强度进行校核。

1、直升机振动环境的特点

直升机的振动环境与固定翼的振动环境十分不同。
首先，直升机的气动力来源于主旋翼和尾桨，受到气流等成分的影响，桨叶在翱翔中将同时产生摆荡、摆振和扭转变形，桨毂处产生的周期性交变力和交变力矩通过桨毂传至机身。
以是袁直升机最紧张的振源来自于旋翼和尾桨系统。
这些周期振动通过机身传到机体的各个部位，形成以周期振动为紧张振动，并叠加有较低宽带随机振动的振动环境。
伺服掌握盒设备随机振动剖析的勉励谱如图1所示，所利用的直升机平台的振动环境如表1所示。
振动方向为垂直方向。

图1直升机平台的振动环境；表1某直升机的振动环境

由于ANSYS求解器在进行谱剖析（PSD）时袁无法直策应用上述的宽带随机振动与定频正弦振动的叠加，故参照GJB150.16-86叶军用设备环境试验方法振动试验曳，根据能量相等的准则，将该形式的振动转换为纯随机振动的形式。
转换往后的振动谱关键点如表2所示。

2、产品构造及有限元模型处理

2.1 产品构造

本文的研究工具为某直升机的伺服掌握盒袁该掌握盒在底部通过4个螺钉固定。
掌握盒由拼接而成，共包括4块板卡、1块母版和1个电源。

2.2 有限元模型处理

由于ANSYS公司开拓的ANSYSWorkbench软件对付面网格具有较强的处理能力和较好的利用性能，因此文中在网格划分时将Solidworks布局的三维模型直接关联导入ANSYSWB软件，经由前处理、划分网格后，得到设备安装架的网格模型。
由于设备安装架构造紧张是薄壁构造，因此在有限元网划分时采取4节点壳单元。
机箱构造形式为6面拼装，连接处螺钉间距较密，根据履历，在常日的试验条件下，认为可以作为刚性连接处理，即连接面不会发生相对滑移，以是在建模时将4个侧壁连接为一个箱框。
机箱实体部分采取SOLID185单元，材料为硬铝；所有的PCB采取SHELL63单元，材料为FR-4，加强筋采取BEAM单元，材料为硬铝。
简化过程中略过小的孔，去除不必要的倒角。
将质量较小的接插件质量均匀分配在干系节点上。
建立的有限元模型如图2所示。

3、伺服掌握盒的随机振动剖析

3.1 随机勉励下的频率相应剖析

当系统受到随机勉励时，系统的勉励和相应都是一种非确定的韶光函数，其时间进程无法用确定性的函数表示。
针对一个平稳随机过程，如果对相应的自干系函数：

即相应功率谱密度函数即是勉励功率谱密度函数与系统相应函数模的平方的乘积。
相应加速度均方根值为：

对付单自由度系统，如果勉励谱已知，系统的频率函数经由大略的打算即可得到，因此其对应的加速度相应可由式（4）直接求出。
但是文中所研究的工具显然是一个多自由度的系统，其随机振动相应谱及相应加速度均方根值的求解过程与单自由度比较略有不同。

一样平常来说，对付平稳随机勉励下的多自由度系统，在进行谱剖析之前，须要对研究工具进行模态剖析。

在模态剖析中，通过坐标系变换，将多自由度系统进行解耦，得到主坐标系下的频率相应函数。
分别令M、K、C表示多自由度系统的质量、刚度和阻尼矩阵，令表示相对付根本的相应加速度，表示根本加速度勉励，则该系统对应的动力学方程为：

引入正则振型，令个中为振型矩阵，代入式（6）并在其旁边两边同时左乘T，有：

个中为一个列向量，设其第j个分量为根据随机勉励-相应关系，则第j个自由度相对付根本的加速度的功率谱密度可表示如下：

将式（11）在频域上积分，可得第j个自由度相对付根本的加速度相应的均方值为：

式（12）中：根本加速度平稳随机勉励的起始圆频率和终止圆频率。
文中所研究的问题属于单输入多输出类型，剖析求解利用ANSYS软件。

3.2 随机振动剖析

在随机振动剖析前须要求出构造的固有频率和振型，这是构造进行解耦的必要条件。
对设备安装架与载机的固定点进行自由度约束，利用ANSYS软件进行模态剖析求解，前5阶固有频率如表3所示袁频率覆盖了0耀1000Hz前3阶振型，如图3-5所示。

当得到构造的固有频率和振型后，可以将勉励浸染于构造的根本进行随机振动剖析。
图6和图7分别构造Y方向位移相应的1滓解和构造vonMises应力的1滓解，图8给出了节点1，2，3，4的Z方向位移相应谱，个中节点1为构造的根本节点。
由剖析构造可知，构造的最大vonMises应力的解为2000MPa，构造发生了共振，经由剖析得出伺服掌握箱的基频过低，其值和直升机3倍频靠近。
因而需对构造进行优化，提高基频。

3.3 构造优化

经由剖析创造，掌握盒与安装架连接部位、安装架底板处刚度过低，因此对其进行了优化，在叉型安装架底板处支配了加强筋，增加了叉形连接件中连接柱的直径。
优化后各阶频率如表4所示。
表3优化前前5阶模态对应的频率和振型；表4优化后前6阶模态对应的频率假设构造应力服从高斯分布，则由图6可认为构造的vonMises应力臆304MPa。
由于构造材料为合金刚，滓0.2=620MPa，安全系数为1.2，因此，按照形状改变必能理论可知：

由式（13）可知，构造设计知足直升机环境下的振动强度哀求。

3.4 试验验证

经由多轮仿真和优化，所剖析的伺服掌握箱知足所需直升机运用环境的哀求，并顺利地通过了振动试验，证明了仿真的可靠性。
现产品已经顺利交付用户利用。
图3第一阶振型；图4第二阶振型；图5第三阶振型；图6Y方向随机振动时应力分布（最大值为284MPa）；图7Y方向随机振动时应力分布（最大值为252MPa）；图8Z方向随机振动时应力分布（最大值为304MPa）4结束语通过上述剖析，得到了以下几点结论：1）文中针对某直升机伺服掌握构造，利用GJB150.86中能量相等的原则将随机叠加正弦的振动谱等效为纯随机振动谱，便于ANSYS数值打算；2）本文利用ANSYS软件对构造随机振动条件下的动强度进行了校核打算，为机载设备的设计供应了仿真依据；3）直升机环境中随机振动叠加正弦的振动谱具有较高能量的定频振动，存在较大的毁坏性袁在仿真剖析中应予以重视。