某機載顯控臺振動仿真分析

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備，因此，顯控臺必須提供良好的抗振環境，才能使安裝的電子設備具有高可靠性。由于載機平臺對安裝在其上設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應盡可能大，一般應為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。

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

1 機載振動環境

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 機載顯控臺設計

某型顯控臺設計效果圖見圖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

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，所以在仿真計算及求解過程中均只關注彈性變形，而不關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果，但顯控臺結構復雜，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、結構形式不能簡化；

3）模型的安裝固定方式必須與工作狀態保持一致[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；顯示器等設備用等質量塊代替，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 模態分析

模態是結構固有的頻率和振型，也是在后續隨機振動仿真分析時所必需的數據[4]。因此，本次仿真取計算所得的前10階模態，見表1。

通過計算表明，顯控臺的第1階模態為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；其他階次為局部模態，主要表現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

圖5 第4階模態

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的3σVon Mises應力響應幅值統計見表2及圖6～8。

計算結果顯示，Y方向（即顯控臺的垂直方向）振動時，顯控臺機架的應力響應幅值最大，出現在顯控臺底部固定點，此處即為顯控臺設計薄弱點。對照3.1節中鋁鈑金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，此時的安全系數為1.03，安全系數太小，需要進行局部加強。

表2 各方向3σVon Mises應力響應幅值

圖6 X向3σVon Mises應力圖

6 優化設計

圖7 Y向3σVon Mises應力圖

圖8 Z向3σVon Mises應力圖

經過上述仿真分析可知，顯控臺機架的最大應力發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構形式，重新建模并仿真分析，Y方向應力分布見圖9，優化后最大應力降為99.1 MPa，此時安全系數為1.3，滿足設計要求。

圖9 改進后Y方向振動時應力響應幅值

7 結論

本文對某型顯控臺的模型進行了模態和振動仿真分析。通過模態仿真，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，可以找出顯控臺設計的薄弱位置，即顯控臺垂直方向振動時，顯控臺機架的應力最大，此時安全系數為1.03，安全系數太小。通過對找出的薄弱位置進行局部加強并重新仿真分析，安全系數提高為1.3，滿足了設計要求。

以上分析方法可用于其他機載產品的優化設計。