結構力學仿真在機載產品結構設計中的應用

趙 偉

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

ANSYS有限元分析軟件采用的是有限元分析方法。有限元分析是把物體通過網格的劃分，分解為多個大小和形狀不統一、互相聯結的有限個小單元，然后分析每個單元。簡單來說，它就是把復雜的問題簡單化。以有限元分析方法為基礎的ANSYS軟件可以進行結構力學分析、熱力學分析、流體力學分析和電磁分析等，應用廣泛，可應用于航空航天、電子、土木工程和機械制造領域[1]。

機載電子設備安裝架作為連接機載電子設備與飛機機架的機械接口，具有緊固和支持機載電子設備的作用。性能優良的安裝架是機載電子設備正常工作的保障[2-3]。

通常有限元分析的模型的繪制比較耗時，且需要掌握建模技巧和有限元方面的專業知識，對普通工程師來說有一定的難度。ANSYS Workbench提供CAD風格可視化建模環境，且將以往用戶難以掌握的建模技巧、單元關鍵字控制以及邊界條件加載等做成圖標式命令，還可將ANSYS Workbench強大的前處理和ANSYS Classic個性化設置相結合，不僅可以最大程度地方便模型前處理工作，還可用熟悉的命令進行各種控制，顯著加快模型創建進度[4]。

1 設計方案

1.1 結構設計

以一款機載設備為例。該機載設備具有小型化、集成化和高動態等特點。在飛機起飛-著陸、飛行過程中，振動、沖擊以及加速度條件十分惡劣。因此，該設備的結構件必須能滿足過程中隨機振動、沖擊和加速度等受力條件。

機載設備在設計初期難以進行實際飛行試驗，所以要求設計師在設計過程中要對結構設計進行仿真分析。為了滿足設備的使用要求，通過ANSYS Workbench的力學仿真模塊進行結構力學仿真，并進行隨機振動、沖擊以及加速度分析來確定結構件的受力變形情況，以達到優化、改進結構設計的目的。其中，隨機振動分析又稱為瞬態動力學分析[5]。本文針對天機載設備的殼體（材料為5A06防銹鋁）進行振動、沖擊以及加速度環境的適應性仿真分析。

1.2 振動條件

該設備振動力學條件包括起飛-著陸、飛行2個任務剖面，具體參數見表1。

表1 機載設備振動條件要求

1.3 沖擊、加速度條件

機載設備沖擊、加速度響應譜，按照表2規定進行仿真。

表2 機載設備的沖擊載荷

2 隨機振動仿真

應用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的RandomVibration模塊進行隨機振動分析。其中，隨機振動分析條件見表1。由于隨機震動中的兩個工作狀態中起飛-著陸包含飛行的工作狀態，因此選取起飛-著陸隨機振動條件進行隨機振動仿真，得到如圖1所示的變形云圖。可以看出，殼體在隨機振動下，最大的變形為0.097 mm，殼體結構不會產生破壞。

圖1 殼體隨機振動變形云圖

2.1 加速度仿真

為了驗證機載設備在加速度情況下的受力變形，應用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Static Structural模塊進行加速度仿真。

以表2條件進行加速度仿真，得到如圖2所示的加速度分析結果。可以看出，加速度條件下最大變形量為0.081 2 mm，殼體結構不會產生破壞。

圖2 加速度變形云圖

2.2 沖擊仿真

為了驗證機載設備在沖擊情況下的受力變形，應用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Transient Structural模塊進行沖擊仿真分析。

以表2條件進行單次15g沖擊分析，得到如圖3所示的沖擊仿真結果。可以看出，在15g加速度條件下的最大變形量為向0.000 045 8 mm，殼體結構不會產生破壞。

圖3 15g沖擊變形云圖

以表2條件進行8g/3 000次沖擊分析，得到如圖4所示的沖擊仿真結果。根據數據可知，在沖擊條件下殼體的最大變形量為0.000 088 mm，結構不會產生破壞。

圖4 8g沖擊變形云圖

以表2條件進行6g/7 000沖擊分析，得到如圖5所示的沖擊仿真結果。根據數據可知，在沖擊條件下殼體結構的最大變形量為0.000 878 mm，殼體不會產生破壞。

圖5 6g沖擊變形云圖

3 結語

通過力學仿真結果可以看出，在多種環境下殼體的變形量在允許范圍內，結構殼體不會發生破壞，可以保障設備內部的器件穩定、安全工作。由于熱仿真模型較復雜，且仿真模型和所設定的各種邊界條件和實際數據存在一定差別，因此需要與試驗樣機的試驗結果進行比對，以提高仿真的準確度，互相映證進一步優化結構設計。可見，結構力學仿真可以對設備的結構設計進行性能、安全等方面的分析和驗證，達到對設備指標進行準確的預估和評判，以找出薄弱點，進而比較和優化結構設計方案。