采用ANSYS Workbench的機載電子設備模態分析

侯艷艷+曹克強+南秦博+李小剛

摘 要： 為了改善機載電子設備結構的動態特性，提高其工作可靠性，結合有限元分析軟件，對機載電子設備進行模態分析。根據模態分析的基本理論，采用ANSYS Workbench軟件建立了機載電子設備的有限元仿真模型，通過對其振動特性進行有限元分析，計算出機載電子設備的固有頻率和對應的振型，從而避免其在使用中發生共振現象，為機載電子設備的進一步優化設計提供了有價值的參考，同時可以有效降低機載電子設備設計成本，縮短研發周期。

關鍵詞： 機載電子設備； ANSYS Workbench； 有限元； 模態分析

中圖分類號： TN802?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0075?03

ANSYS Workbench based modal analysis of airborne electronic equipment

HOU Yanyan1， CAO Keqiang1， NAN Qinbo2， LI Xiaogang1

（1. College of Aeronautics and Astronautics Engineering， Air Force Engineering University， Xian 710038， China；

2. Training Division， Air Force Engineering University， Xian 710051， China）

Abstract： To improve the dynamic characteristics of the airborne electronic equipment structure， and its working reliability， the modality of airborne electronic equipment is analyzed in combination with the finite element analysis software. According to the fundamental theory of modal analysis， the finite element simulation model of airborne electronic equipment was established by means of ANSYS Workbench software. The inherent frequency and corresponding vibration mode of the airborne electronic equipment are calculated by finite element analysis of the vibration characteristics， and the resonance phenomenon of the equipment in use is avoided， which provides a valuable reference for further optimization design of airborne electronic equipment， and can reduce the design cost of airborne electronic equipment effectively and shorten the developing cycle.

Keywords： airborne electronic equipment； ANSYS Workbench； finite element analysis； modal analysis

0 引 言

振動現象是機載電子設備在使用中無法避免的問題之一[1?2]。強烈的振動會引起共振而使機載電子設備的電性能下降、元器件失效，甚至會使元器件產生疲勞損壞[3]。為了避免共振的產生，確保機載電子設備能夠安全可靠地運行，有必要對機載電子設備進行模態分析，研究其結構振動的固有頻率及其相應的振型。

計算機仿真技術的快速發展，給模態分析提供了有力的工具。將仿真技術引入機載電子設備的模態分析中不但可以減少物理試驗中花費的人力、物力和財力，而且能在結構設計前對其性能進行定量預測及方案優化，降低成本，縮短電子設備研發周期。美國ANSYS公司開發的大型有限元分析軟件ANSYS，集結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體[4]，包括ANSYS Workbench，ANSYS Mechanical，ANSYS CFD等多個系列，可廣泛應用于航空航天、電子、機械制造、汽車工業、石油化工等工業領域以及科學研究中。本文通過ANSYS Workbench軟件對機載電子設備進行有限元建模和模態分析，找到其固有頻率和對應的振型，為機載電子設備的進一步優化設計提供有價值的參考，同時，模態分析結果也為后續隨機振動分析提供理論基礎。

1 模態分析理論基礎

模態分析是動力學分析的基礎，它的最終目標是識別出系統的模態參數，即模型的固有頻率和固有振型，從而為結構系統振動特性分析、振動故障診斷以及結構動力特性的優化設計提供依據[5]。對于一個[n]自由度線性定常系統，其基本振動方程為：

[Mx（t）+Cx（t）+Kx（t）=f（t）] （1）

式中：[M，C，K]分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；[x（t），x（t），x（t）]分別為系統的加速度向量、速度向量、位移向量；[f（t）]為激勵向量。

結構的固有模態由結構本身的特性、材料特性所決定，與外載荷無關；進行模態分析時，結構阻尼較小，對固有頻率和振型影響甚微，可忽略。因此可以將式（1）簡化為無阻尼自由振動方程，即：

[Mx（t）+Kx（t）=0] （2）

式（2）的解為如下形式的簡諧振動：

[x（t）=?sinωt] （3）

式中：[ω]為振型的固有頻率；[?]為振型向量。

將式（3）代入式（2）得：

[（K-ω2M）?=0] （4）

由于自由振動時各節點振幅不全為零，所以由式（4）得：

[K-ω2M=0] （5）

令[λ=ω2]，則式（5）可以化為：

[K-λM=0] （6）

展開式（6）可得到關于[λ]的[n]次多項式方程，解此方程可得到一系列特征值[λi]，以及各特征值對應的特征向量[?i]，它反映結構以[ωi]固有頻率振動時的振型。由于機載電子設備結構比較復雜，對其建立整體數學模型解析模態很難實現，因此利用有限元分析軟件進行求解。

2 有限元模型的建立

2.1 CAD三維模型的簡化與導入

在不影響設備結構特性的前提下，按照簡化原則，對CAD三維模型進行簡化，并將其導入到ANSYS Workbench軟件中，導入的CAD三維模型如圖1所示。它由前面板、后面板、殼體、內部電路板1和電路板2組成，其中前面板包括一些開關和顯示屏；后面板包括電源變換器、濾波器、電連接器等；殼體包含殼體和支架；電路板1包括PCB板和37個元器件；電路板2包括PCB板和40個元器件。

圖1 導入的機載電子設備CAD三維模型圖

2.2 材料設置

導入CAD三維模型后，查找機載電子設備的各部件材料信息，對所有材料結構進行設定，主要部件材料設置如表1所示。

表1 主要部件材料設置表

2.3 網格劃分

材料屬性設置好后，對機載電子設備進行網格劃分，采用了掃掠、單元大小控制及多區域劃分法，分別對前面板、后面板、殼體、內部電路板1和內部電路板2進行網格劃分，以保證網格質量能夠滿足要求。最終計算得到59 840個節點，22 381個單元，劃分網格后得到有限元模型如圖2所示。

圖2 機載電子設備有限元模型

3 模態分析

正常結構的固有頻率有無數多個，并且隨著階數而遞增，且階數越低的固有頻率越接近于實際結構[6?7]。因此選擇前6階的固有頻率和振型作為研究對象對機載電子設備進行分析。

3.1 模態計算

利用ANSYS Workbench軟件進行機載電子設備模態求解，由于殼體振型非常小，因此將殼體隱藏，得到機載電子設備前6階固有頻率如表2所示，振型如圖3～圖8所示。

表2 機載電子設備固有頻率

3.2 計算結果分析

從圖3～圖8振型圖首先可以明顯看出，前面板和后面板第1階～第6階的振型都很小，說明前面板和后面板的剛度和強度設計符合要求。

圖3 第1階振型

圖4 第2階振型

圖5 第3階振型

圖6 第4階振型

圖7 第5階振型

從圖3、圖4振型圖可以看出，在第1、第2階固有頻率下，振型最大的部位分別發生在電路板2和電路板1的中部位置。從圖7、圖8振型圖可以看出，在第5、第6階固有頻率下，振型最大的部位分別發生在電路板1的左邊緣和前中部位置。說明電路板在設計時盡量不要在振型最大部位安裝重要元器件。

圖8 第6階振型

從圖5、圖6振型圖可看出，在第3、第4階固有頻率下，支架、電路板1和電路板2的振型都比較大，說明此時危險系數比較高，所以在使用時盡量避免共振發生。

4 結 語

建立了機載電子設備有限元模型，通過仿真分析可得出了如下結論：對機載電子設備進行模態分析，求出機載電子設備前6階固有頻率和振型，為后續隨機振動分析提供理論基礎；在進行機載電子設備結構設計時，采用有限元仿真分析方法計算其固有頻率和振型有利于發現機載電子設備的振動問題，并及時進行優化改進，可縮短機載電子設備研發周期，降低成本；利用振型圖和動畫顯示可直觀地分析機載電子設備的動態特性，發現薄弱環節，為機載電子設備的結構設計、優化提供有價值的參考。

參考文獻

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[2] 李朝旭.電子設備的抗干擾設計[J].電子機械工程，2002（1）：51?52.

[3] 吳薇.機載電子設備的抗振動設計[J].壓電與聲光，2008（1）：19?21.

[4] 凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0[M].北京：清華大學出版社，2012.

[5] 杜子學，朱興高，胡啟國.跨座式單軌車輛轉向架構架模態分析[J].機械設計與制造，2011（11）：222?223.

[6] 沈永峰，鄭松林，馮金芝.公路客車車架與車身骨架強度及模態分析[J].現代制造工程，2013（7）：90?95.

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