不同高度安裝架對整機剛度的影響分析*

姜 健，張豐華，醋強一

(西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

近些年，隨著我國航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展，相應(yīng)的機載電子設(shè)備發(fā)展迅速，用戶對電子設(shè)備的可靠性和性能提出了更高的要求。大量的軍用試驗和經(jīng)驗已經(jīng)證明，大約有20%的故障是由某種類型的振動和沖擊引起的[1]。因此，有必要對電子設(shè)備所經(jīng)歷的的振動環(huán)境以及響應(yīng)情況進(jìn)行分析，避免在高能量密度區(qū)域內(nèi)的諧振發(fā)生[2]。

通常情況下，電子設(shè)備會在很寬的頻率范圍和加速度量值上遇到各種形式的振動。在旋翼飛機上，還需要在寬帶背景上疊加單頻尖峰。這些尖峰是由旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的正弦波，是每個部件的旋轉(zhuǎn)頻率及這些頻率的諧波。這些尖峰的量值通常較大[3]。因此，在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)將整機的固有頻率設(shè)計在這些尖峰之外，以防止嚴(yán)重的耦合和量值的放大。筆者通過Workbench仿真軟件對高底座安裝架和低底座安裝架兩種結(jié)構(gòu)形式對整機剛度的影響進(jìn)行分析，為之后安裝架的設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

文中采用高底座安裝架和低底座安裝架兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對比分析，其中高底座安裝架底座高度為75 mm，三維模型如圖1所示。低底座安裝架底座高度為3 mm，三維模型如圖2所示。

圖1 高底座安裝架三維模型 圖2 低底座安裝架三維模型

由于該模型較復(fù)雜，為了減小計算量，在保證仿真精度的同時提高仿真效率，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕孩賹型把手處的接觸采用“beam connect”命令進(jìn)行簡化；②對模型中的螺紋孔、小圓角等特征進(jìn)行簡化；③忽略面板上的連接器和其他對結(jié)構(gòu)剛度無影響的器件；④所有的連接都采用剛性連接。

2 模態(tài)分析

對兩個模型分別進(jìn)行模態(tài)分析，首先需要對坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一：X方向為機箱的上下方向，Y方向為機箱的左右方向，Z方向為機箱的前后方向。坐標(biāo)系如圖3所示。模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 坐標(biāo)系示意

圖4 模態(tài)分析結(jié)果

從仿真結(jié)果中可以看出，增加安裝架底座的高度，可以提高整機在X方向(機箱上下方向)和Y方向(機箱左右方向)上的固有頻率，增加其剛度；但增加安裝架底座的高度，會導(dǎo)致整機在Z方向(機箱前后方向)上的固有頻率的降低，削弱其剛度。

3 隨機振動分析

采用GIB150標(biāo)準(zhǔn)中某設(shè)備的振動譜作為振動條件進(jìn)行輸入[4]，振動譜如圖5所示。譜中F1為107 Hz，F(xiàn)2為215 Hz，F(xiàn)3為322 Hz，F(xiàn)4為430 Hz。

圖5 隨機振動頻譜圖

隨機振動分析結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，應(yīng)力值最大發(fā)生在低安裝架在Y方向振動時的工況下，此時的最大應(yīng)力值為454 MPa，而高安裝架此時的最大應(yīng)力值為105 MPa。這是由于在Y方向，高托架的一階固有頻率為159 Hz，避開了頻譜圖中107 Hz的峰值，因此應(yīng)力值較小。相反，低托架的Y方向一階固有頻率為106 Hz，正好落在頻譜圖中107.5 Hz的峰值附近，產(chǎn)生諧振，因此產(chǎn)生較大的應(yīng)力值。

圖6 隨機振動分析結(jié)果

4 結(jié) 論

針對高底座安裝架和低底座安裝架兩種安裝架進(jìn)行模態(tài)和隨機振動分析，以研究其在振動相應(yīng)過程中所表現(xiàn)出來的動力學(xué)特性，得到結(jié)論如下：

(1) 增高安裝架的底座高度，可以提高整機在X方向(上下方向)上的剛度。

(2) 增高安裝架的底座高度，可以提高整機在Y方向(左右方向)上的剛度。

(3) 增高安裝架的底座高度，將會降低整機在Z方向(前后方向)上的剛度。

根據(jù)結(jié)論，在之后的設(shè)計中應(yīng)結(jié)合所施加的隨機振動圖譜有選擇的對安裝架的高度進(jìn)行設(shè)計，原則上整機的前三階固有頻率(三個方向)均應(yīng)設(shè)計在振動譜的非波峰處。