航空機載溫度傳感器振動特性仿真分析

摘 要：文章采用有限元仿真分析軟件ANSYS對某型航空機載溫度傳感器在隨機振動載荷下的應力狀態進行有限元分析，從而完成對結構的可靠性評估。根據有限元和隨機振動相關理論，結合仿真分析結果，該型溫度傳感器在承受規定的隨機振動載荷時，安全系數高，該結構具有足夠的抗振強度，結構可靠性穩定。

關鍵詞：溫度傳感器；隨機振動；有限元仿真；ANSYS

1 概述

航空機載傳感器所經受的工作環境極為惡劣，在相當短的時間內會經受相當大的隨機振動載荷，從而引起很大的交變應力，振動疲勞損傷非常嚴重[1]。因此，在產品設計階段，采用隨機振動理論對產品及各零部件結構進行振動特性仿真分析，找出各設計參數對產品性能的影響規律，并采取相應的改進措施，優化產品的結構，提高產品的結構穩定性，保證傳感器在整個任務階段不出現疲勞破壞。

文章針對某型航空機載溫度傳感器進行了基于ANSYS的有限元振動疲勞仿真分析。通過計算隨機振動的峰值應力值來對結構的可靠性進行考察，通過在共振頻率點的應力響應來計算隨機振動的峰值應力，比較峰值應力與材料的屈服極限的大小來考察結構的可靠性[2]，判斷結構的抗振強度及薄弱位置，以確定結構設計方案的優劣，為結構進行改進和提高結構的可靠性提供依據。

2 溫度傳感器產品概述

2.1 產品功能

傳感器安裝在燃油控制裝置殼體內，用于測量流經燃油控制裝置內的計量燃油溫度，并將燃油溫度信號轉變為電信號輸送到電子控制器。

2.2 產品組成

傳感器主要由感溫元件（1）、外殼（2）、套管（3）和蓋（4）等構成。傳感器結構圖見圖1。

3 振動特性仿真分析

3.1 有限元計算前處理

3.1.1 有限元模型的建立

根據溫度傳感器的設計圖紙、裝配關系和CAD數字樣機建立有限元模型，對不影響產品結構強度的刻字、導線、裝配螺紋等特征進行簡化，對其他特征進行詳細建模。產品的有限元模型如圖2所示。

傳感器幾何形狀較為復雜，為保證足夠的分析精度，重要部位盡量細化網格，共劃分了41023個單元，72901個節點。傳感器網格劃分情況如圖3所示。

3.1.2 傳感器材料參數的設定

傳感器的套管、外殼、蓋等零件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。具體的材料參數見表1。

3.1.3 傳感器約束設定

根據實際安裝情況，傳感器通過外殼零件上的安裝螺紋與燃油控制裝置殼體上的安裝孔相連，因此需對安裝螺紋面施加固支約束。

3.2 有限元計算結果及分析

3.2.1 模態分析

模態分析用于確定設計中結構或部件的振動特性，即計算固有頻率及振型。它是瞬態動力學分析、諧響應分析、譜分析等更詳細的動力學分析的起點。文章基于有限元法的線性振動理論，應用ANSYS軟件模態分析中的子空間法（Subspace Method）[3]，對傳感器結構的前6階振動特性進行分析，計算結果如表2所示。從總體來看，傳感器的固有頻率較高，各階固有頻率均在2000Hz以上，即當產品所承受的振動載荷頻率在2000Hz以內的振動載荷時，不會因發生共振而導致結構破壞。

3.2.2 隨機振動分析

隨機振動分析也稱功率譜密度分析（PSD），屬于一種概率統計分析。功率譜密度是結構對隨機動力載荷響應的概率統計，后處理結果為功率譜密度-頻率關系曲線。有限元隨機振動分析就是建立在對結構進行振動分析得到結構的各階振型和固有頻率的基礎上，進一步根據所給的加速度功率譜求出結構在這些隨機激勵下的位移響應和應力響應。文章利用ANSYS軟件對傳感器進行隨機振動特性進行仿真計算[4]，通過對響應的分析為結構可靠性設計提供理論依據。

（1）振動載荷的施加

利用模態分析時建立的傳感器有限元模型，對該模型施加沿三軸向的隨機振動載荷，載荷施加位置為傳感器外殼安裝螺紋處的約束位置，振動載荷譜如圖4所示。

（2）振動分析結果

圖5～7分別為計算得到的傳感器產品按振動譜承受沿X、Y、Z三軸向功能振動載荷時最大值處的Von mises等效應力分析結果。

將仿真分析結果列于表3中。

由表3的結果可知，傳感器按振動譜沿三軸向功能振動時最大等效應力分別為4.386MPa、4.442MPa和0.489MPa，受到最大應力部位為退刀槽臺階處，應力水平遠小于不銹鋼材料的屈服強度（196MPa），屈服安全系數高于44，產品整體承受的應力水平較低，不會發生斷裂失效。從變形程度來看，沿三軸向功能振動時，位移最大值僅為0.00067mm、0.00067mm和0.000024mm，均發生套管端部位置，位移量非常小可忽略。整體應變量非常小，僅為0.00075%、0.00069%和0.000187%。總體而言，傳感器承受振動載荷時的應力水平和變形量都非常低，不會發生斷裂失效，傳感器結構能夠滿足強度要求。

4 結束語

文章利用仿真分析軟件ANSYS對某型溫度傳感器的振動特性進行了分析和校核，以確定產品結構的可靠性，得到以下結論：

（1）傳感器的固有頻率較高，前6階固有頻率均在2000Hz以

上，因此當產品所承受的振動載荷頻率在15Hz～2000Hz以時，不會因為共振而產生結構失效的可能。

（2）傳感器按功能振動譜承受沿三軸向的隨機振動載荷時，其

應力水平和變形量都非常低，屈服安全系數均在44以上，振動載荷對傳感器結構可靠性影響不大，因此該結構具有足夠的強度。

參考文獻

[1]姚起杭.姚軍防止結構振動疲勞的設計技術[J].飛機工程，2006，3：9-11.

[2]郭建平，任康，楊龍，等.基于MSC.Fatigue的電子設備隨機振動疲勞分析[J].航空計算技術，2008，28（4）：48-50.

[3]黃康，仰榮德.基于ANSYS的汽車橫向穩定桿疲勞分析[J].機械設計，2008，25（12）：66-68.

[4]徐灝.疲勞強度[M].北京：高等教育出版社，1988.