基于ANSYS某振動支架的設計

楊 嬌， 吳柯銳， 李 婷

（1.國營785廠第三研究所， 山西 太原 030024；2.空軍駐山西地區軍事代表室， 山西 太原 030024）

引言

隨著加固顯示器的使用環境越來越嚴苛，對加固顯示器自身抗振能力的要求也越來越高。為了保證設備的可靠性，必須對設備進行環境試驗，振動支架作為加固顯示器進行環境試驗的載體，因此對其進行結構設計必不可少。本文利用三維設計軟件Solidworks對振動支架進行實體建模，然后導入有限元分析軟件ANSYS，對其進行模態分析和隨機振動分析，驗證設計的可行性，較傳統方法具有時間短、成本低的特點。

1 建立模型

1.1 研究對象

加固顯示器振動支架的傳統加工方法是鑄造，對結構復雜、體積較小的支架尤為適合，但缺點是耗時長，成本較高。為了節約成本，縮短研發周期，本文設計了一種采用平板拼裝結構的振動支架，材料選用鋁合金，其外形尺寸為400 mm×500 mm×400 mm，創建的實體模型如圖1所示。

圖1 實體模型

1.2 有限元模型

ANSYS中的Workbench模塊能與Solidworks中建立的三維實體模型進行無縫對接，但在導入模型前需要先將實體模型導入到SCDM模塊中進行一定的簡化處理[1]，將一些對分析結果影響不大的特征進行簡化，如模型中緊固用的螺釘、螺釘孔、倒圓。模型完成簡化后，在ANSYS Workbench模塊下進行分析，將模型材料設置為鋁合金，同時對所選材料的力學參數進行設置，彈性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2 770 kg/m3，網格單元類型采用四面體與六面體混合網格，然后對模型進行網格劃分，生成的有限元模型節點數為87 790，單元數為38 473。

1.3 約束條件

實際工況下，該型振動支架通過螺釘與振動臺固定，故在分析中對振動支架上的底部螺釘連接面施加約束。其他拼接板之間通過螺釘緊固，但為了降低計算量且保證分析結果的準確性，在各個板之間添加了接觸的約束。

2 模態分析

模態分析是動力學分析的基礎，可用于在產品設計前預先避免可能引起的共振。在對產品結構進行動態分析時，頻率越低，權重越大，即低階模態特性基本決定了產品動態性能[2]。本文將通過兩種方法確定振動支架的固有頻率：一種是理論計算，另一種是有限元計算，對比兩種結果，驗證正確性。

2.1 有限元計算

在本次模態分析中，只關心低階模態及其振型，故將模態階數設置為6。經仿真，得到模型前六階模態數的固有頻率和振型，頻率和振型描述見表1。限于篇幅文中只給出了第2階的模態振型圖，如圖2所示。

2.2 理論分析

表1 前六階頻率和振型

圖2 2階模態振型

該振動支架橫截面可近似看作是工字型結構，故其慣性矩大小為：

式中：B=400 mm；b=180 mm；H=400 mm；h=350 mm。

換算后求得I=1.49×10-3m4。

振動支架整體近似成一個勻質簡單支撐梁，其垂直于固定方向的固有頻率為[3]：

式中：E=70 GPa（鋁合金彈性模量）；g=9.8 m/s2（重力加速度）；W=381 N（質量）；L=400 mm（長度）；

將各參數的值代入頻率計算公式，得fn=455.7 Hz。

理論計算結果與模態分析結果542.59 Hz相近，誤差在20%之內，說明模態計算的結果可信。

3 隨機振動分析

隨機振動分析是指機構在某種隨機激勵作用下，計算一些物理量（如位移和應變）的概率分布狀況[1]。本文根據GJB150.16A—2009的規定，采用組合輪式車振動載荷作為激勵，該激勵為PSD G加速度功率譜，頻率從0～500 Hz，與模型固有頻率范圍不重疊，說明在該振動條件下振動支架與振動臺不會發生共振。隨機振動計算完成后，得到振動支架的等效應力，應力云圖如圖3所示，1σ水平的概率分布表明在68.269%的時間范圍內該振動支架的最大應力在0.405 48 MPa以下，計算得到的應變云圖，如圖4所示，1σ水平的概率分布表明在68.269%的時間范圍內該振動支架的最大變形在0.004 123 2 mm以下。可見，振動支架的應力、應變都較小，證明了該設計的正確性和合理性。

圖3 應力云圖

圖4 應變云圖

4 結論

通過對某加固顯示器振動支架進行模態分析，得到了振動支架低階模態的頻率和振型，并利用理論分析結果驗證了模態分析結果的準確性，并通過隨機振動分析，獲得了振動支架在隨機振動下的應力、應變特性。結果表明，拼接結構的振動支架是可行的，為振動支架的設計提供了一種新的方法。

（編輯：趙琳琳）