一種輕量化高強(qiáng)度儀控設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與仿真

張洧川 陳杰 何小鵬 黃軻 劉依依 孫琦 唐濤 王菲

【摘 要】本文設(shè)計了一款用于搭載儀控設(shè)備的機(jī)柜。通過在材料選取，框架結(jié)構(gòu)，聯(lián)接設(shè)計等方面著手，使得機(jī)柜在滿足低成本，輕量化的前提下實現(xiàn)了較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。機(jī)柜強(qiáng)度還通過有限元仿真軟件進(jìn)行了仿真驗證，驗證其性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

【關(guān)鍵詞】輕量化;抗沖擊;抗振動;有限元仿真

中圖分類號： TL36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0021-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.009

【Abstract】In this paper，a cabinet equipped with instrument and control equipment is designed.Through the selection of materials，frame structure，connection design and so on，high strucutre strength can be realized under the premise of low cost and light weight.The cabinet stength is also verified by the finite element simulation softwire to verify that its performance meets the standard reqiurements.

【Key words】Lightweight;Anti-vibration;Mid-strike;Finite element simulation

0 引言

以艦船電子設(shè)備為代表的儀控設(shè)備在使用過程中，可能會遭受到撞擊，海浪等引起的高強(qiáng)度沖擊（以下簡稱沖擊），在沖擊作用下，作為設(shè)備承載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生變形或脫落，引起短路、接觸不良、打火等故障。同時，儀控設(shè)備所工作的環(huán)境中，可能存在固定頻率的振動，這些振動可能會造成機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞老化，共振，部分位置應(yīng)力超標(biāo)等，引起結(jié)構(gòu)損傷。

同時，低成本，小體積，輕量化也是現(xiàn)代軍用儀控設(shè)備的必然要求，為此，機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用了鈑金加工、標(biāo)準(zhǔn)化細(xì)分組件組裝等方法。為了保證新設(shè)計下機(jī)柜強(qiáng)度仍能滿足使用要求，需對機(jī)柜進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和仿真驗證。

本文以應(yīng)用于儀控設(shè)備中的承載機(jī)柜為對象，以滿足實際使用情況的相關(guān)要求作為輸入，從材料選取，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面著手對機(jī)柜強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化，最后通過有限元仿真法對結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能和抗振動性能進(jìn)行了驗證，驗證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

1 機(jī)柜整體概況

1.1 材料選擇

材料的選取主要考慮其對于抗沖擊能力的影響，對于有抗沖擊要求的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)該選擇屈服強(qiáng)度較高、延伸率較大和斷裂韌性較好的材料，不應(yīng)選擇脆性或是對加工缺陷較為敏感的材料。本次設(shè)計中，機(jī)柜材料選擇為Q235B鋼板，其為低碳鋼，韌性較好，屈服強(qiáng)度也能滿足應(yīng)用要求。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)概況

如圖1所示為承載設(shè)備的立式機(jī)柜CAD模型圖，機(jī)柜主要由底框架、頂框架、左側(cè)板、右側(cè)板、頂蓋、安裝立柱、前門、后門等主要構(gòu)件組成;機(jī)柜中縱向布置五個機(jī)箱，機(jī)箱中插裝插件模塊盒，布置情況如圖2所示;機(jī)柜、機(jī)箱外形和重量具體參數(shù)見表1。

2 機(jī)柜強(qiáng)度設(shè)計

機(jī)柜強(qiáng)度設(shè)計主要從主體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，聯(lián)接件設(shè)計，減振器設(shè)計三方面著手。

2.1 主體框架設(shè)計

考慮到機(jī)柜的使用環(huán)境中對強(qiáng)度的要求較高，機(jī)柜柜體采用整體焊接形式，從結(jié)構(gòu)形式上拆分為底框，左右側(cè)板、頂框、立柱、加強(qiáng)筋等。

機(jī)柜底框采用4mm鋼板折彎而成，側(cè)板采用2mm鋼板整體折彎而成，且在角落處進(jìn)行了加強(qiáng)，如圖3所示。

機(jī)柜柜體和柜門接觸位置由于需要進(jìn)行開合動作，因此柜體與柜門接觸位置進(jìn)行了導(dǎo)電處理，相應(yīng)位置安裝了導(dǎo)電屏蔽條。

底框下部采用可拆卸擋板，以方便減振器安裝，如圖4所示。

機(jī)柜框架均采用焊接形式，主框架用二氧化碳保護(hù)焊接，細(xì)小邊緣用氬弧焊，焊縫保持均勻一致，角焊縫長度≥3mm;內(nèi)部長焊縫采用斷續(xù)焊方式，焊接長度大于20mm，并保持均勻一致。

2.2 前門鉸鏈設(shè)計

前門采用鉸鏈連接，門尺寸為：598mm×1330mm，密度為：7800kg/m3，可計算出前門重量為20kg。設(shè)鉸鏈數(shù)量n為3，門寬為A，門高為B，門重為G，鉸鏈安裝距離為L，如圖5所示。

可得：

軸向力Fy=G*（1/n）=65.3N;

徑向力方面，F(xiàn)x1=Fx3=G*A/2L=44.2N，F(xiàn)x2=0。

同時，結(jié)合安裝結(jié)構(gòu)形式，選擇CL186合頁，徑向載荷660N，軸向載荷880N，遠(yuǎn)超所承受靜載荷，滿足強(qiáng)度要求。

2.3 后門螺釘強(qiáng)度校核

后門為了裝卸方便，采取螺釘固定的方式，由于重力作用，螺栓主要承受豎直方向的剪切力。假設(shè)螺栓桿與孔壁表面接觸面壓力分布均勻，可得螺栓所受的工作剪切應(yīng)力如下式所示：

式中：

？子——螺栓所受剪切應(yīng)力;

F——螺栓所受工作剪切力，預(yù)估算時僅考慮靜載荷重力;

d0——螺栓剪切面直徑，mm;

代入數(shù)據(jù)可得，螺栓所受工作應(yīng)力為5.4Mpa。選擇M8螺釘，許用應(yīng)力為137Mpa，且采用多螺栓同時固定，螺栓強(qiáng)度將滿足要求。

2.4 隔振器設(shè)計

為了不致使柜體內(nèi)部發(fā)生相對位移，需保證機(jī)柜柜體的最低固有頻率在30Hz～35Hz以上[1]，為了使外界激勵力不致引起柜體共振同時減少外界沖擊對機(jī)柜影響，隔振器設(shè)計時滿足以下幾點要求：

1）隔振器較為柔軟，使得隔振器與設(shè)備所組成系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)不高于15Hz;

2）隔振器有低頻大變形和隨載荷增加而逐漸變硬的非線性特性、足夠的側(cè)向剛度和抗拉能力;

3）隔振器有較大的阻尼，放大因子Q≤3，較大的阻尼可以減少設(shè)備在受沖擊后的響應(yīng)[2]，并使設(shè)備振蕩迅速停止。

本次設(shè)計中的隔振器使用鋼絲繩隔振器，其型號為GSG150，固有頻率是7-10Hz，放大倍率<=2.5，具有堅硬的非線性特性及足夠側(cè)向剛度和抗拉能力。

3 機(jī)柜力學(xué)性能仿真

使用ANSYS 18來對設(shè)備力學(xué)特性進(jìn)行仿真，仿真其抗沖擊，抗振動性能。該力學(xué)分析軟件基于有限元分析法進(jìn)行分析[3]，該仿真分析方法可以得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

為在有限元分析中盡量考慮機(jī)柜的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，同時簡化計算，提高計算速度，引入如下的假設(shè)和處理方法：

1）機(jī)柜框架參考實際結(jié)構(gòu)建模，省略局部特征（如裝飾性圓角）;

2）機(jī)柜、機(jī)箱里的PCB板、電纜、連接器等全部在機(jī)箱框架的等效質(zhì)點位置處配重，機(jī)柜前后門采用同樣的方法進(jìn)行配重;

3）機(jī)柜中各種緊固件固定的零件接觸面均設(shè)為綁定約束。

簡化處理后的仿真模型如圖6所示。

圖6 簡化處理后的仿真模型

3.1 模態(tài)分析

在固體與載體連接的螺釘處施加全位移約束，通過模態(tài)分析得到分析對象在30Hz內(nèi)的模態(tài)結(jié)果，得前六階的模態(tài)頻率，記錄在表2中。

模態(tài)分析結(jié)果顯示：分析對象的基頻約為8Hz，振型表現(xiàn)為沿Y向搖擺。

3.2 周期振動分析

這里在（0-60）Hz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻計算，位移和加速度的計算幅值根據(jù)包絡(luò)原則來計算得出[4]。振動載荷全頻段取為1g，進(jìn)行諧響應(yīng)分析，這樣的振動量級較實際中的振動載荷稍強(qiáng)，因此得到的強(qiáng)度評估結(jié)果是偏安全的。

周期振動分析時，采用諧響應(yīng)分析方法來模擬掃頻振動載荷的作用，在分析對象與機(jī)架連接的安裝螺釘處施加全位移約束。并將1g的正弦振動載荷分別沿X、Y、Z三個方向施加到設(shè)備上。諧響應(yīng)分析時，常數(shù)阻尼比取0.12，計算得到了設(shè)備在三個方向上的整個振動頻段內(nèi)的等效應(yīng)力最大值，具體如圖7、圖8、圖9所示，各方向應(yīng)力極大值記錄于表3中。

諧響應(yīng)分析結(jié)果顯示：X向受到振動載荷激勵時，等效應(yīng)力最大，約為24.9MPa，該值顯著小于所用材料的疲勞極限。

3.3 沖擊譜分析

為了分析設(shè)備對外界沖擊的耐受能力，需采用DDAM法進(jìn)行沖擊譜分析以驗證機(jī)械結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備的沖擊譜加速度和速度如下式所示：

式中：

A0——沖擊譜加速度;

V0——沖擊譜速度;

ma——模態(tài)質(zhì)量。

設(shè)備按照彈塑性設(shè)計要求，在設(shè)備垂向、橫向和縱向分別使用1.0A0，0.4A0和0.4A0的加速度進(jìn)行計算。

計算獲得了機(jī)柜的前10階模態(tài)，滿足模態(tài)疊加質(zhì)量大于總質(zhì)量80%的要求，取A0和V0w0中的較小值作為給定方向上的沖擊設(shè)計加速度，獲得加速度譜如表4所示。

按照表4中的加速度進(jìn)行三個方向的沖擊譜計算，對于取二階模態(tài)以上的計算，組合方式選為NRL。

由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的限值計算法可得，機(jī)柜柜體所能承受的限值為：332.5Mpa，對比沖擊譜分析所得各方向最大應(yīng)力值情況可得整體情況如表5所示。

沖擊譜分析結(jié)果顯示：Z向受到?jīng)_擊載荷激勵時，等效應(yīng)力最大，約為243MPa，該值顯著小于限值（332.5MPa）。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于鈑金加工和細(xì)分組件組裝等方法設(shè)計的輕量化高強(qiáng)度機(jī)柜，為了驗證其抗振動，抗沖擊性能，基于其應(yīng)用環(huán)境下所應(yīng)滿足的要求，對其進(jìn)行了模態(tài)分析，周期振動分析，以及沖擊譜分析。證明其具備良好的抗振動、抗沖擊性能，應(yīng)力值小于結(jié)構(gòu)耐受強(qiáng)度，可以滿足應(yīng)用要求。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]唱忠良，劉松，鄒廣平，焦凱，張冰.金屬絲網(wǎng)橡膠減振器沖擊響應(yīng)有限元仿真研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2018，39（09）：1505-1510.

[3]張龍飛，陶忠，潘文，張戰(zhàn)書，蘭香，曾傳旺.導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座力學(xué)性能研究[J].振動與沖擊，2018，37（22）：122-127+150.

[4]宋天罡.某型TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析[D].西南交通大學(xué)，2017.作者簡介：張洧川（1992—），男，四川成都人，碩士，助理工程師，從事反應(yīng)堆儀表與控制系統(tǒng)總體設(shè)計。