基于ANSYS Workbench某機載電子設備隨機振動響應分析

摘 要： 機載電子設備是飛機武器系統的重要組成部分，隨機振動是使其結構失效的主要因素。為了提高機載電子設備的可靠性，基于ANSYS Workbench軟件平臺對某機載電子設備進行模態分析和隨機振動的加速度PSD模擬分析，獲得了應力分布云圖和加速度功率譜密度響應曲線，并在此基礎上通過隨機振動環境試驗對仿真分析結果進行驗證。結果表明，有限元仿真計算結果與試驗結果比較吻合，說明建模與仿真的合理性，并可為下一步的結構優化與新設計提供參考。

關鍵詞： 機載電子設備； 模態分析； 隨機振動分析； 飛機武器系統

中圖分類號： TN401?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0096?04

Analysis on ANSYS Workbench based random vibration response of a certain airborne electronic equipment

WU Famao， JIANG Long， WANG Jian， ZHU Weibing

（School of Mechanical Engineering， Xihua University， Chengdu 610039， China）

Abstract： Airborne electronic equipment is an important component of the airborne weapon system， and the random vibration is a main factor of its structural failure. In order to improve the reliability of the airborne electronic equipment， the modal analysis for a certain airborne electronic equipment and acceleration PSD （power spectral density） simulation analysis for the random vibration based on ANSYS Workbench software platform are conducted to acquire the stress distribution cloud picture and acceleration PSD response curve. And on this basis， the simulation analysis results were verified by means of the random vibration environment test. The verification results show that the finite element simulating calculation result is identical with the experimental result， which proves that the modeling and simulation are reasonable. It provides a reference for further structural optimization and new design.

Keywords： airborne electronic equipment； modal analysis； random vibration analysis； airborne weapon system

0 引 言

隨著軍用電子技術的發展，機載電子設備已經成為航空武器裝備自動化、智能化、信息化的主要因素。由于軍用機載電子設備所處的環境條件比一般電子設備更復雜與嚴酷，并且由環境因素造成設備失效率高達50%，在溫度、振動、濕度三項環境因素中，振動因素[1?2]約占27%。機載電子設備是航空武器系統的重要組成部分，是各種電路印制板、電子元器件及機械零部件的主要載體，其結構的機械性能優劣將直接影響設備中電信號傳輸以及電子系統的穩定性[3]。

國外開展電子設備結構的振動沖擊分析較早，其理論研究也較為完善。早在1956年，Lunney和Crede根據實際環境的測試數據對電子設備進行了振動分析與疲勞分析[4]。1972年Eshleman撰寫了《Shock and Vibration Technology with Applications to Electrical Systems》一書[5]，通過對元件級的電子元器件到系統級的電子機箱的動力學特征進行了較為系統的分析研究。而我國的電子設備設計與制造行業經歷了從仿制到自行設計的過程。由于電子技術在國內發展的較晚，國內在電子設備動態性能研究領域內的水平相對不高，國產電子設備的可靠性也相對較低。近些年來，伴隨相關研制項目的增多和應用范圍的擴展，電子設備動力學分析研究開始受到工程技術人員的重視，部分專業技術和工程設計人員也都開始有針對性地對各種車輛、方艙、機柜以及不同的裝載設備等的振動特性進行了相關的理論分析和試驗測試研究。本文旨在采用有限元仿真技術對某機載電子設備模型進行模態分析與隨機振動動力學分析，并通過仿真結果與試驗結果對比，驗證了有限元仿真分析方法的有效性。

1 有限元模型的建立

由于三維實體模型比較復雜，建立有限元分析模型本文選用導入CAD模型法，即采用參數化建模技術，利用三維建模軟件UGNX 8.0建立該機載電子設備的CAD模型，如圖1所示。然后將其轉化為x_t文件格式導入有限元分析軟件ANSYS Workbench中進行動力學特性分析。

1.1 模型簡化

模型簡化與網格劃分是有限元前處理一個非常重要的階段，在整個有限元分析過程中占據50%～60%的工作量，是有限元分析的核心[6]。而模型簡化的質量將直接關系到網格劃分的質量，網格劃分的質量又關系到模型的分析效率、計算機的計算量和計算時間。電子設備模型是結構比較復雜的裝配體，結構構件中有承載件、非承載件和裝飾件等，在這些構件上還有一些細小特征（圓孔、倒圓角、凹槽等），這些特征大多不是重點關注位置。如果直接對模型全部構件進行網格劃分，不僅會使網格規模巨大，而且容易形成畸形網格，會導致計算求解時間增加甚至求解失敗。故在對功放電子設備進行網格劃分前需對其結構進行必要的簡化處理，模型簡化過程中應注意以下兩個方面：

（1） 模型簡化應保證模型尺寸足夠準確，應盡量確保設備結構的剛度不發生明顯變化。同時模型的主要結構形狀必須保留，簡化后的模型要盡量與原模型保持一致，在刪除模型結構比較復雜和比較大的構件時，應使用配重結構進行替代，以保證模型剛度和質量盡量不發生改變。

（2） 要認真分析模型中某些細小特征。在模型構件中有許多細小特征，如小孔、倒角、凸臺等，還有許多無關緊要的非承載件和裝飾件，如彈平墊、插槽、手柄、螺釘、標示線纜孔等，這些特征對結果影響不大應刪除。

1.2 網格劃分與約束加

網格劃分是有限元仿真分析中的不可或缺的一部分，網格的質量對仿真結果的準確性及求解過程的收斂性至關重要，網格單元節點數過多會使求解時間變長，從而降低工作效率，單元數過少又會導致仿真計算結果的精確度過低，無法保證計算的準確性。根據設備輪廓尺寸與內部構件尺寸大小選用不同的網格尺寸進行網格劃分，本文模型網格劃分時采用四面體網格劃分法，網格劃分單元尺寸設置為4 mm，劃分后產生170 460個節點，100 698個單元。定義邊界條件為對該機載電子設備底板4個安裝凸臺上的螺栓孔的內表面采用全約束。根據設備的結構特點與更能等效實際的約束情況，本次仿真在底板螺釘孔接觸建立時，采用梁單元來建立接觸，其他部件接觸的建立采用線面、面面綁定接觸，建立的有限元模型如圖2所示。

2 模態分析

2.1 模態分析基本原理

模態分析是基于振動理論用于研究設備動態特性，識別設備的自振頻率特性，從而指導設備自身的故障診斷、性能分析與設計的一種現代分析方法。模態分析是在線性動力學理論的基礎上，基于三個基本假設：線性假設、可觀測性假設和時不變性假設，來對設備結構進行模態求解。它是將無阻尼定常系統中的各階主振型的物理坐標轉換成模態坐標，并使該微分方程組解耦，讓其轉換為每個獨立的微分方程，從而求出定常系統的模態特性參數。模態分析也是其他動力學分析的基礎，即在進行隨機振動分析之前必須先求解模態獲得模態參數。

2.2 模態分析結果

通過ANSYS Workbench計算得到機載電子設備模態參數結果，提取前3階模態參數見表1，前2階模態振型云圖如圖3所示。

4 試驗與仿真對比分析結果

為了驗證該電子設備結構設計是否合理，及驗證有限元仿真分析結果的正確性，故對該電子設備進行了隨機振動環境試驗，試驗控制點選在夾具與產品的連接點附近且采用多點平均控制，試驗地點是在某研究所的振動環境試驗室內進行，試驗中傳感器測點位置與仿真分析中響應探測點是基本一致的，將試驗時傳感器測得的數據與仿真分析獲得的數據運用Matlab軟件進行處理（本文只對X與Z向進行對比）后，獲得了試驗與仿真對比分析結果如圖6和表2所示。

通過上述仿真與試驗對比分析結果可以得出：

（1） 從輸入譜圖4與輸出結果圖6可以看出，激勵載荷的加速度功率譜密度曲線與傳感器采集控制點處得到的功率譜密度曲線基本是一致的，這從一個方面說明了控制譜值的正確性。從對比分析表2可以看出，仿真分析與試驗測試在最大共振峰處發生的頻率相對誤差均小于3%。從對比分析結果圖6可以看出，在中低頻階段，該電子設備在某一測點用有限元仿真分析軟件獲得加速度響應曲線與振動環境試驗在該點處用傳感器測得加速度曲線是基本一致的，并且出現的波峰、波谷數量是基本相同，曲線走勢也完全吻合，共振點發生頻率值也基本一致。

（2） 從對比分析結果圖6可以看出，在高頻階段的仿真結果與試驗結果有較大偏差的，這主要是因為所使用有限元仿真軟件分析模塊是基于線性假設進行計算求解的，然而實際的振動測試試驗時在高頻段會出現某種程度的非線性，這是試驗不可避免的，因此就很難保證仿真與試驗結果在高頻階段的一致性。

（3） 從整個對比曲線圖來看，仿真軟件分析的響應曲線與傳感器測得的曲線在吻合程度還是有一定誤差的，致使這種誤差形成的原因主要包括以下幾點：

① 模型簡化時忽略的一些次要特征及模型修正所造成的有限元模型精度不夠。

② 模型網格劃分尺寸與網格劃分方法所引起的單元數量、節點數量、網格質量、網格密度等方面精度不夠造成的誤差。

③ 設備內部各構件間連接方式的模擬，外部邊界條件模擬、設備整機阻尼模擬及螺釘、焊接處的等效處理等因素造成的誤差。

5 結 語

對于結構復雜的電子設備，采用有限元仿真軟件對其進行分析，能起到一個很好的預示作用。電子設備仿真分析也是后續可靠性鑒定試驗前非常有效的手段，對改變傳統的產品結構設計方式，縮短產品研制周期，減小實際試驗產品失效概率，降低產品研發成本，提高工作效率，實現人?機?環境一體化等具有重要的意義。

參考文獻

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