航空機(jī)載溫度傳感器振動(dòng)特性仿真分析

摘 要：文章采用有限元仿真分析軟件ANSYS對(duì)某型航空機(jī)載溫度傳感器在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，從而完成對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估。根據(jù)有限元和隨機(jī)振動(dòng)相關(guān)理論，結(jié)合仿真分析結(jié)果，該型溫度傳感器在承受規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)載荷時(shí)，安全系數(shù)高，該結(jié)構(gòu)具有足夠的抗振強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)可靠性穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；隨機(jī)振動(dòng)；有限元仿真；ANSYS

1 概述

航空機(jī)載傳感器所經(jīng)受的工作環(huán)境極為惡劣，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)會(huì)經(jīng)受相當(dāng)大的隨機(jī)振動(dòng)載荷，從而引起很大的交變應(yīng)力，振動(dòng)疲勞損傷非常嚴(yán)重[1]。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，采用隨機(jī)振動(dòng)理論對(duì)產(chǎn)品及各零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性仿真分析，找出各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響規(guī)律，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證傳感器在整個(gè)任務(wù)階段不出現(xiàn)疲勞破壞。

文章針對(duì)某型航空機(jī)載溫度傳感器進(jìn)行了基于ANSYS的有限元振動(dòng)疲勞仿真分析。通過計(jì)算隨機(jī)振動(dòng)的峰值應(yīng)力值來對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行考察，通過在共振頻率點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)來計(jì)算隨機(jī)振動(dòng)的峰值應(yīng)力，比較峰值應(yīng)力與材料的屈服極限的大小來考察結(jié)構(gòu)的可靠性[2]，判斷結(jié)構(gòu)的抗振強(qiáng)度及薄弱位置，以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，為結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和提高結(jié)構(gòu)的可靠性提供依據(jù)。

2 溫度傳感器產(chǎn)品概述

2.1 產(chǎn)品功能

傳感器安裝在燃油控制裝置殼體內(nèi)，用于測(cè)量流經(jīng)燃油控制裝置內(nèi)的計(jì)量燃油溫度，并將燃油溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸送到電子控制器。

2.2 產(chǎn)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(gòu)成。傳感器結(jié)構(gòu)圖見圖1。

3 振動(dòng)特性仿真分析

3.1 有限元計(jì)算前處理

3.1.1 有限元模型的建立

根據(jù)溫度傳感器的設(shè)計(jì)圖紙、裝配關(guān)系和CAD數(shù)字樣機(jī)建立有限元模型，對(duì)不影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的刻字、導(dǎo)線、裝配螺紋等特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)其他特征進(jìn)行詳細(xì)建模。產(chǎn)品的有限元模型如圖2所示。

傳感器幾何形狀較為復(fù)雜，為保證足夠的分析精度，重要部位盡量細(xì)化網(wǎng)格，共劃分了41023個(gè)單元，72901個(gè)節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

3.1.2 傳感器材料參數(shù)的設(shè)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(shù)見表1。

3.1.3 傳感器約束設(shè)定

根據(jù)實(shí)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(duì)安裝螺紋面施加固支約束。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性，即計(jì)算固有頻率及振型。它是瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析等更詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)。文章基于有限元法的線性振動(dòng)理論，應(yīng)用ANSYS軟件模態(tài)分析中的子空間法（Subspace Method）[3]，對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的前6階振動(dòng)特性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)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(dāng)產(chǎn)品所承受的振動(dòng)載荷頻率在2000Hz以內(nèi)的振動(dòng)載荷時(shí)，不會(huì)因發(fā)生共振而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

3.2.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析也稱功率譜密度分析（PSD），屬于一種概率統(tǒng)計(jì)分析。功率譜密度是結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)動(dòng)力載荷響應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)，后處理結(jié)果為功率譜密度-頻率關(guān)系曲線。有限元隨機(jī)振動(dòng)分析就是建立在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析得到結(jié)構(gòu)的各階振型和固有頻率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)所給的加速度功率譜求出結(jié)構(gòu)在這些隨機(jī)激勵(lì)下的位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)。文章利用ANSYS軟件對(duì)傳感器進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算[4]，通過對(duì)響應(yīng)的分析為結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

（1）振動(dòng)載荷的施加

利用模態(tài)分析時(shí)建立的傳感器有限元模型，對(duì)該模型施加沿三軸向的隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)載荷譜如圖4所示。

（2）振動(dòng)分析結(jié)果

圖5～7分別為計(jì)算得到的傳感器產(chǎn)品按振動(dòng)譜承受沿X、Y、Z三軸向功能振動(dòng)載荷時(shí)最大值處的Von mises等效應(yīng)力分析結(jié)果。

將仿真分析結(jié)果列于表3中。

由表3的結(jié)果可知，傳感器按振動(dòng)譜沿三軸向功能振動(dòng)時(shí)最大等效應(yīng)力分別為4.386MPa、4.442MPa和0.489MPa，受到最大應(yīng)力部位為退刀槽臺(tái)階處，應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度（196MPa），屈服安全系數(shù)高于44，產(chǎn)品整體承受的應(yīng)力水平較低，不會(huì)發(fā)生斷裂失效。從變形程度來看，沿三軸向功能振動(dòng)時(shí)，位移最大值僅為0.00067mm、0.00067mm和0.000024mm，均發(fā)生套管端部位置，位移量非常小可忽略。整體應(yīng)變量非常小，僅為0.00075%、0.00069%和0.000187%?？傮w而言，傳感器承受振動(dòng)載荷時(shí)的應(yīng)力水平和變形量都非常低，不會(huì)發(fā)生斷裂失效，傳感器結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章利用仿真分析軟件ANSYS對(duì)某型溫度傳感器的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析和校核，以確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性，得到以下結(jié)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(dāng)產(chǎn)品所承受的振動(dòng)載荷頻率在15Hz～2000Hz以時(shí)，不會(huì)因?yàn)楣舱穸a(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效的可能。

（2）傳感器按功能振動(dòng)譜承受沿三軸向的隨機(jī)振動(dòng)載荷時(shí)，其

應(yīng)力水平和變形量都非常低，屈服安全系數(shù)均在44以上，振動(dòng)載荷對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)可靠性影響不大，因此該結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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