某碳纖維顯控臺結(jié)構(gòu)動力學仿真分析及優(yōu)化*

孫 帆

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某碳纖維顯控臺結(jié)構(gòu)動力學仿真分析及優(yōu)化*

孫 帆

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

機載電子設(shè)備需具有足夠的剛強度才能滿足環(huán)境使用要求，而碳纖維材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計以往大多通過樣件試驗來進行驗證。文中運用ANSYS軟件對某機載碳纖維顯控臺進行了模態(tài)分析，依據(jù)分析結(jié)果對顯控臺結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，再通過加載真實使用環(huán)境下的振動條件對顯控臺進行了諧響應(yīng)分析,并對優(yōu)化前后的諧響應(yīng)分析結(jié)果進行了對比。經(jīng)驗證，優(yōu)化結(jié)果滿足環(huán)境要求。這可為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

碳纖維顯控臺；結(jié)構(gòu)動力學；有限元仿真

引 言

機載顯控臺是安裝在飛機上的由操作人員進行操作和使用的電子設(shè)備[1]，它必須具備足夠的強度和剛度以適應(yīng)機載環(huán)境對顯控臺的需求，確保其優(yōu)良的觀察、操控性能和安全、有效的工作。碳纖維作為機載顯控臺的主體材料具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕疲勞性能好、可設(shè)計性強等一系列獨特的優(yōu)點，在航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但碳纖維制件結(jié)構(gòu)精細，研制成本高，工藝復雜，周期長，若以傳統(tǒng)方法進行研制，則費時、費力、費錢，而且難以得到準確而系統(tǒng)的科學結(jié)論[2]，因此采用CAE 等現(xiàn)代化輔助分析技術(shù)是必不可少的[3]。

文中應(yīng)用有限元仿真分析軟件ANSYS對某機載碳纖維顯控臺實施了動力學仿真分析，模擬真實環(huán)境下材料承載受力的過程，通過仿真—優(yōu)化—再仿真的過程驗證該顯控臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足機載環(huán)境的剛強度要求，為后續(xù)的詳細工程設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 顯控臺有限元分析

顯控臺主要由臺體、臺面、臺上結(jié)構(gòu)3部分構(gòu)成，臺體為基本承載件，臺面作為主要操作面用于安裝鍵盤軌跡球，臺上結(jié)構(gòu)主要包括顯示器等各類儀器。顯控臺通過底部4個點固定在機艙內(nèi)，其設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 顯控臺設(shè)計模型

機載環(huán)境條件振動譜含有由航速、氣流等變化導致的隨機分量及由螺旋槳共振引起的周期分量，具體振動譜如圖2所示，其中F1= 21.2 Hz，F(xiàn)2= 2F1=42.4 Hz，F(xiàn)3= 3F1= 63.6 Hz ，F(xiàn)4= 4F= 84.8 Hz。

圖2 機載環(huán)境振動譜

1.1有限元模型

由于顯控臺結(jié)構(gòu)復雜，如在ANSYS中建模則工作量巨大，因此采用Pro/Engineer三維建模軟件進行建模，將建好的模型直接在ANSYS中打開，既保證了模型的完整性與準確性，又大大提高了建模的效率。

在ANSYS中對模型進行簡化和相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，并進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。為了便于計算，將安裝在顯控臺上的設(shè)備簡化為均質(zhì)載荷板。

圖3 顯控臺有限元模型

1.2模態(tài)分析

模態(tài)分析主要對顯控臺前40階模態(tài)進行了計算。相應(yīng)的振型如圖4所示，表1中列出了從第9階開始對振動起主要作用的20階模態(tài)的固有頻率。

圖4 振型圖

1.3分析及優(yōu)化

從整體模態(tài)可以看出，在100 Hz內(nèi)的模態(tài)有23 階，這些分布密集的模態(tài)對正弦激勵不利，對隨機激勵響應(yīng)更為敏感。與正弦激勵頻率21.2 Hz、42.4 Hz、63.6 Hz、84.8 Hz 相比，有幾階模態(tài)與激勵頻率相同或相近，對上下、前后和左右3個方向的激勵響應(yīng)都較為敏感，這將對顯控臺的振動極為不利。模態(tài)振型分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因是顯控臺下側(cè)板的上下方向的剛度以及鍵盤固定支架的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度不足。如圖4所示，有幾階對整體振動影響比較大，它們也進一步反映了上述顯控臺的剛度不足問題。

根據(jù)以上結(jié)果分析，擬采取以下措施對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化：

1)在顯控臺下部加若干個上下的加強筋，以提高顯控臺的整體剛度；

2)增加顯控臺主體鍵盤固定支架的寬度，以提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度；

3)去除顯控臺鍵盤架的下隔板；

4)在顯控臺內(nèi)加若干個加強筋，以進一步提高顯控臺的整體剛度。

2 諧響應(yīng)分析及優(yōu)化驗證

為了進一步驗證優(yōu)化后的顯控臺結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，按照環(huán)境條件下的振動條件分別對優(yōu)化前后的顯控臺進行諧響應(yīng)分析，并對比優(yōu)化前后的仿真結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化對顯控臺結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的改善。在諧響應(yīng)分析中施加的載荷為上下方向，目的是對比在正弦載荷作用下新老模型的響應(yīng)大小。具體做法為：在給定的4個顯控臺固定安裝點上加載，進行諧響應(yīng)分析，讀出在正弦載荷作用下3個測量點的位移譜，然后對比優(yōu)化前后的仿真結(jié)果。考慮到計算模型與實際模型存在一定的差異，通過比較諧響應(yīng)圖，確定在4個頻率載荷下響應(yīng)的穩(wěn)定性。約束形式為通過顯控臺底部的4個固定螺栓固定。圖5為優(yōu)化前顯控臺的響應(yīng)圖，圖6為優(yōu)化后的顯控臺響應(yīng)圖，3個測量點優(yōu)化前后的正弦響應(yīng)結(jié)果見表2。

圖5 優(yōu)化前響應(yīng)圖

圖6 優(yōu)化后響應(yīng)圖

表2 正弦響應(yīng)結(jié)果對比

比較諧響應(yīng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在21.2 Hz和84.8 Hz頻率下優(yōu)化后顯控臺的響應(yīng)下降較大，在42.4 Hz和63.6 Hz頻率下優(yōu)化后的響應(yīng)與優(yōu)化前相當，優(yōu)化后在這4個頻率處的響應(yīng)穩(wěn)定性較好，顯控臺的剛度有了明顯改善，達到了優(yōu)化的目的。

3 結(jié)束語

本文通過對顯控臺的模態(tài)分析，得出了顯控臺整體的動力學性能，并針對其相對薄弱環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化設(shè)計。諧響應(yīng)分析表明：改進后的顯控臺結(jié)構(gòu)有了較大的改善，可滿足環(huán)境設(shè)計要求。該結(jié)構(gòu)動力學仿真分析為后續(xù)相應(yīng)環(huán)境試驗積累了理論數(shù)據(jù)，并可有效替代傳統(tǒng)復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用樣機驗證設(shè)計合理性的過程，提高了設(shè)計質(zhì)量，縮短了研制周期。以上分析方法也可供同類設(shè)備結(jié)構(gòu)動力學仿真分析及優(yōu)化參考。

[1] 魏強. 機載顯控臺抗振動仿真分析[J]. 電子機械工程, 2012, 28(4): 60-61, 64.

[2] 廖英強，蘇建河，柯善良. ANSYS在復合材料仿真分析中的應(yīng)用[J]. 玻璃纖維, 2006(4): 21-25.

[3] 張洪武，關(guān)振群. 有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004.

孫 帆(1982-)，男，工程師，主要從事雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

StructureDynamicsSimulationAnalysisandOptimizationforaCarbonFiberConsole

SUNFan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The airborne electronic equipment is required to have enough stiffness and intensity to meet the environmental requirements. And most of the carbon fiber structure design was verified by sample test in the past. In this paper the modal analysis for the airborne carbon fiber console is carried out first by the ANSYS software and then the console structure is optimized on the basis of the analysis result. After that the harmonic response analysis for the console is made by loading the vibration conditions in the real environment. Finally the harmonic response analysis results before and after optimization are compared and the optimization result is verified. The result shows that the optimization result meets the environmental requirements. It can be used as reference for design of the same kind of products.

carbon fiber console; structure dynamics; finite element simulation

2015-03-26

TN873

：A

：1008-5300(2015)04-0057-03