某機(jī)載風(fēng)冷機(jī)箱單元力學(xué)性能研究

王建

摘要：本文針對某機(jī)載風(fēng)冷機(jī)箱單元，利用有限元分析方法開展了力學(xué)分析。文中詳解介紹了機(jī)箱單元在有限元分析過程中，幾何簡化原則、網(wǎng)格劃分、邊界條件處理的具體方法。最后通過分析機(jī)箱在各種工況下的應(yīng)力分析結(jié)果，指導(dǎo)機(jī)箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載，機(jī)箱，力學(xué)，有限元

1 引言

隨著電子技術(shù)和飛行器技術(shù)的高速發(fā)展，要求電子設(shè)備能夠搭載各種平臺實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)目標(biāo)。機(jī)箱作為最基本的設(shè)備單元，擔(dān)負(fù)了結(jié)構(gòu)安裝、產(chǎn)品加固、器件冷卻、電磁屏蔽及小環(huán)境控制等多種作用，機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對電子設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)具有重要影響[1]。文獻(xiàn)[2-3]從冷卻設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等方面對電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)開展了研究，但對于機(jī)載設(shè)備而言，除滿足上述性能外，其力學(xué)性能也是保障其全壽命周期可靠工作的重要因素。本文針對某機(jī)載風(fēng)冷機(jī)箱單元，從建模、仿真等多方面開展了力學(xué)性能研究，采用虛擬手段預(yù)測驗(yàn)證其力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某單元機(jī)箱由前面板、機(jī)箱殼體、后蓋板以及若干電器設(shè)備構(gòu)成。其中機(jī)箱主體由上、下風(fēng)冷板和左、右側(cè)板焊接成型。前后面板與箱體采用螺釘連接，具體情況如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真計(jì)算

3.1 仿真工具

本次仿真分析使用通用有限元軟件Ansys 17.0。幾何模型前處理采用ANSYS SpaceClaim 17進(jìn)行簡化。

3.2 環(huán)境條件

（1）沖擊，按照GJB150.18-86中實(shí)驗(yàn)五執(zhí)行，具體要求如下：a）垂直方向：15g;b）橫軸方向：10g;c）縱軸方向：10g;d）作用時間：11ms。

（2）振動，按照載機(jī)平臺的振動環(huán)境要求進(jìn)行，功率譜密度譜形如圖2所示。

3.3 建模

在結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算中，在不影響仿真精度的前提下，為降低仿真模型規(guī)模，提高仿真效率，需對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化處理。

簡化基本原則：

保留單元真實(shí)的物理連接關(guān)系;

保留單元受力、約束和連接關(guān)鍵細(xì)節(jié);

移除對結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度無影響或影響很小的部分;

基于以上原則，機(jī)箱單元結(jié)構(gòu)簡化情況如下：

去除顯著增加有限元網(wǎng)格數(shù)量，但對分析結(jié)果無影響的不重要的圓角、倒角細(xì)節(jié)。保留上下風(fēng)冷板的內(nèi)部連接細(xì)節(jié)，前面板連接螺釘孔。對于厚度尺寸較薄的前后蓋板，左右側(cè)板均采用抽殼簡化。簡化后的幾何模型如圖3所示。

對機(jī)箱單元的各個零件單獨(dú)劃分網(wǎng)格。其中前、后蓋板與左右側(cè)板均主要采用四邊形結(jié)合少量三角形單元（SHELL181）劃分網(wǎng)格。機(jī)箱上下風(fēng)冷板主要采用六面體混合四面體單元（Solid185）劃分劃分網(wǎng)格。最后通過連接關(guān)系將各個劃分好網(wǎng)格的零件進(jìn)行組裝。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖4所示。其中節(jié)點(diǎn)數(shù)量為30794個，單元數(shù)量為70054個。

機(jī)箱主體通過6顆螺栓連接外部結(jié)構(gòu)。機(jī)箱機(jī)箱單元通過前面板22顆螺釘與機(jī)箱上下和左右箱體結(jié)構(gòu)連接。后蓋板通過12顆螺釘與機(jī)箱上下和左右箱體結(jié)構(gòu)連接。在仿真過程中，機(jī)箱支耳采用固定約束。為方便匹配網(wǎng)格單元協(xié)調(diào)關(guān)系，機(jī)箱主體上下冷板與左右側(cè)板均采用多點(diǎn)約束（MPC）方式模擬焊接連接;機(jī)箱前后蓋板與機(jī)箱主體連接通過局部MPC連接。

3.4 分析結(jié)果

3.4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學(xué)分析基礎(chǔ)，本機(jī)箱模態(tài)分析前10階結(jié)果如下表所示。

3.4.2 隨機(jī)振動分析

機(jī)箱單元在使用過程中會承受隨機(jī)振動環(huán)境，表2為機(jī)箱單元各個方向在振動條件下的最大應(yīng)力情況。

由表2可見，機(jī)箱單元在Z方向振動下承受的應(yīng)力最大，其受力狀況也最為惡劣，最大應(yīng)力點(diǎn)部位在底部冷板支耳連接處，詳見圖6。

3.4.3 沖擊響應(yīng)分析

沖擊響應(yīng)計(jì)算時，時間步長選擇0.55ms，計(jì)算總時間為19.8ms。機(jī)箱在沖擊載荷作用下，最大應(yīng)力發(fā)生在X向沖擊6.6ms處時刻，數(shù)值達(dá)到32.845MPa。其它方向沖擊結(jié)果詳見下表。

4 結(jié)論

該機(jī)箱單元在隨機(jī)振動和沖擊載荷作用下，所有部件受力強(qiáng)度安全系數(shù)均大于1.5。由此可以確定，機(jī)箱單元在裝機(jī)使用過程中，單元所有結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，并具有足夠的強(qiáng)度安全裕度。

參考文獻(xiàn)：

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