新型無損檢測監控箱隨機振動分析

潘正濤 王繼楠 王鶴春

摘 要：無損檢測監控箱在實際工作過程中容易受到隨機振動的影響，為避免故障盒因為隨機振動受到不可逆破壞，在無損檢測監控箱的研發過程中，對盒體研制方案進行了隨機振動分析，通過試驗提取了環境隨機振動頻譜，建立了新型無損檢測監控箱的有限元模型，仿真分析結果表明，新型無損檢測監控箱滿足設計輸入條件，并對無損檢測監控箱的優化設計給出了一定的減重方案。

關鍵詞：無損檢測；隨機振動；有限元分析；優化設計

中圖分類號：V243 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0056-02

Abstract： Nondestructive testing （NDT） monitor box is easy to be affected by random vibration in the actual working process. In order to avoid the failure box from irreversible damage because of random vibration， in the research and development process of NDT monitor box， The random vibration analysis of the development scheme of the box body is carried out， the spectrum of the random vibration of the environment is extracted through the experiment， and the finite element model of the new type of nondestructive testing and monitoring box is established， and the simulation analysis results show that： The new type of NDT monitor box meets the design input condition， and the optimal design of NDT monitor box is given.

Keywords： nondestructive testing （NDT）； random vibration； finite element analysis； optimal design

1 概述

無損檢測監控箱投入運行之前，試驗設計人員對結構強度風險部位進行評估預測，在使用過程中，無損檢測監控箱隨時可能面臨環境中的隨機振動影響，無損檢測監控箱的重要功能在于大型結構的多通道集成檢測，檢測點分布在檢測環境的整個空間中，這就需要進行集成設計，對所有檢測結果進行集中監測和顯示，以對待檢產品或設備進行全面監控，實現無損檢測的安全運維，為解決以上問題，需要設計一種無損檢測監控箱，對廣布檢測空間的離散檢測點進行集中監測，并有效提醒工程師各監測點的運行情況。以往在無損檢測監控箱設備的研發過程中忽略了設備的可擴展性，新的試驗需求提出了對無損檢測監控箱通道擴展的新要求，為此，需要研發一種新型16通道故障監測儀器，以滿足無損檢測要求，為避免設計過程中的物理迭代，本文采用計算機仿真輔助樣機設計的手段，并對無損檢測監控箱的外觀進行了減重優化。

2 新型故障箱設計

2.1 需求分析

新的無損檢測對象需要故障箱單機通道不低于16通道，整個試驗現場至少需要四個故障箱，并且試驗設計人員在通道配置過程中要求滿足冗余設計，即每個故障檢測箱最少冗余兩個備用通道，以防止試驗過程中出現通道損壞或者增加監測通道，設計要求監測通道指示燈接口通用，開口尺寸，以及備用件尺寸已知，需滿足安裝口設計誤差比安裝件尺寸大1mm，以方便安裝，設計過程中需考慮設備散熱問題。

2.2 細節設計

新型無損檢測監控箱外觀如圖1所示。箱體前面板設計了16通道故障指示燈安裝開口，設計了電源供電系統的電壓測量表頭開口，設計了電源指示燈開口，設計了電源開關安裝口。在箱體的上面板、側面板分別設計了柵格散熱區。

在箱體后面板設計了電源供電開口，以及監測通道集成線束接口，箱體材料以鋁合金板為主。考慮到箱體不同承載需求，箱體各面板為變厚度設計。

3 有限元分析

3.1 模型建立

建模主要采用殼元建立有限元模型，賦屬性時嚴格按照各部件厚度和實際位置，故障箱安裝底座采用BAR元模擬。如圖2所示。控制器有限元模型共13262個單元，13783個結點。

為方便單位換算，計算過程采用通用單位：質量噸（t），長度毫米（mm），力牛頓（N），導出單位：應力及彈性模量兆帕（1MPa=1N/mm2=106N/m2），質量密度（t/mm3）。

3.2 載荷及約束條件

隨機振動分析是一種基于概率統計學的譜分析技術，是將時間歷程的統計樣本轉變為功率譜密度函數（Power Spectral Density，PSD）。隨機振動分析中PSD記錄了激勵和響應的均方根值同頻率的關系，因此PSD是一條功率譜密度值-頻率值的關系曲線，亦即載荷時間歷程。

模型中在四個底座處施加邊界條件，計算某一方向響應時，約束其他方向自由度，該方向不施加約束。

4 仿真結果分析

4.1 應力云圖

如圖3所示，隨機振動試驗應力云圖可以看出，箱體整體而言，應力水平不高，最大應力約為20.7MPa，局部應力較大，由于在箱體支撐腳附近的梁元模擬存在應力集中，所以在分析時不考慮該局部區域的應力分布，所以從整體應力分布可以看出設備具備一定的減重空間。

4.2 優化設計

將設備保守區域的箱體側板進行變厚度設計，針對結構隨機振動應力分布情況，將頂板厚度和側板厚度進行了相應的減重處理，減重后對箱體有限元模型重新進行隨機振動分析，得到的結果滿足結構振動設計要求，達到了優化減重設計的目的。

5 結束語

在新型無損檢測監控箱的設計階段通過隨機振動響應分析，減少了設計迭代，給出的優化方案有效減輕了設備的重量，節約了設備設計和制造成本。仿真分析結果與改進之前無損檢測監控箱的試驗結果基本一致， 證明了該方法的有效性。

參考文獻：

[1]朱位秋.隨機振動[M].北京：科學出版社，1992.

[2]林家浩，張亞輝.隨機振動的虛擬激勵法[M].北京：科學出版社，2004.

[3]莊表中.結構隨機振動[M].北京：國防工業出版社，1995.

[4]張玉梅，韓增堯，鄒元杰.隨機振動環境下航天器結構強度設計方法綜述[J].力學進展，2012，42（4）：464-471.

[5]賀峰，周志廣，林杰，等.機載電子設備隨機振動仿真分析及優化設計[J].機械工程與自動化，2017（2）：98-100.

[6]楊斌.電子設備的隨機振動仿真分析[J].電子工藝技術，2013，34（5）：299-302.