孫 帆

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某碳纖維顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)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(jī)載電子設(shè)備需具有足夠的剛強(qiáng)度才能滿(mǎn)足環(huán)境使用要求，而碳纖維材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以往大多通過(guò)樣件試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。文中運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)某機(jī)載碳纖維顯控臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，再通過(guò)加載真實(shí)使用環(huán)境下的振動(dòng)條件對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行了諧響應(yīng)分析,并對(duì)優(yōu)化前后的諧響應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足環(huán)境要求。這可為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考。

碳纖維顯控臺(tái)；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；有限元仿真

引 言

機(jī)載顯控臺(tái)是安裝在飛機(jī)上的由操作人員進(jìn)行操作和使用的電子設(shè)備[1]，它必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度以適應(yīng)機(jī)載環(huán)境對(duì)顯控臺(tái)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(jī)載顯控臺(tái)的主體材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕疲勞性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，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(xì)，研制成本高，工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，若以傳統(tǒng)方法進(jìn)行研制，則費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢(qián)，而且難以得到準(zhǔn)確而系統(tǒng)的科學(xué)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(duì)某機(jī)載碳纖維顯控臺(tái)實(shí)施了動(dòng)力學(xué)仿真分析，模擬真實(shí)環(huán)境下材料承載受力的過(guò)程，通過(guò)仿真—優(yōu)化—再仿真的過(guò)程驗(yàn)證該顯控臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足機(jī)載環(huán)境的剛強(qiáng)度要求，為后續(xù)的詳細(xì)工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 顯控臺(tái)有限元分析

顯控臺(tái)主要由臺(tái)體、臺(tái)面、臺(tái)上結(jié)構(gòu)3部分構(gòu)成，臺(tái)體為基本承載件，臺(tái)面作為主要操作面用于安裝鍵盤(pán)軌跡球，臺(tái)上結(jié)構(gòu)主要包括顯示器等各類(lèi)儀器。顯控臺(tái)通過(guò)底部4個(gè)點(diǎn)固定在機(jī)艙內(nèi)，其設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 顯控臺(tái)設(shè)計(jì)模型

機(jī)載環(huán)境條件振動(dòng)譜含有由航速、氣流等變化導(dǎo)致的隨機(jī)分量及由螺旋槳共振引起的周期分量，具體振動(dòng)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(jī)載環(huán)境振動(dòng)譜

1.1有限元模型

由于顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)行建模，將建好的模型直接在ANSYS中打開(kāi)，既保證了模型的完整性與準(zhǔn)確性，又大大提高了建模的效率。

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

圖3 顯控臺(tái)有限元模型

1.2模態(tài)分析

模態(tài)分析主要對(duì)顯控臺(tái)前40階模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算。相應(yīng)的振型如圖4所示，表1中列出了從第9階開(kāi)始對(duì)振動(dòng)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(duì)正弦激勵(lì)不利，對(duì)隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)更為敏感。與正弦激勵(lì)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(lì)頻率相同或相近，對(duì)上下、前后和左右3個(gè)方向的激勵(lì)響應(yīng)都較為敏感，這將對(duì)顯控臺(tái)的振動(dòng)極為不利。模態(tài)振型分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因是顯控臺(tái)下側(cè)板的上下方向的剛度以及鍵盤(pán)固定支架的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度不足。如圖4所示，有幾階對(duì)整體振動(dòng)影響比較大，它們也進(jìn)一步反映了上述顯控臺(tái)的剛度不足問(wèn)題。

根據(jù)以上結(jié)果分析，擬采取以下措施對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化：

1)在顯控臺(tái)下部加若干個(gè)上下的加強(qiáng)筋，以提高顯控臺(tái)的整體剛度；

2)增加顯控臺(tái)主體鍵盤(pán)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(tái)鍵盤(pán)架的下隔板；

4)在顯控臺(tái)內(nèi)加若干個(gè)加強(qiáng)筋，以進(jìn)一步提高顯控臺(tái)的整體剛度。

2 諧響應(yīng)分析及優(yōu)化驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，按照環(huán)境條件下的振動(dòng)條件分別對(duì)優(yōu)化前后的顯控臺(tái)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并對(duì)比優(yōu)化前后的仿真結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)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(duì)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(gè)顯控臺(tái)固定安裝點(diǎn)上加載，進(jìn)行諧響應(yīng)分析，讀出在正弦載荷作用下3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位移譜，然后對(duì)比優(yōu)化前后的仿真結(jié)果?？紤]到計(jì)算模型與實(shí)際模型存在一定的差異，通過(guò)比較諧響應(yīng)圖，確定在4個(gè)頻率載荷下響應(yīng)的穩(wěn)定性。約束形式為通過(guò)顯控臺(tái)底部的4個(gè)固定螺栓固定。圖5為優(yōu)化前顯控臺(tái)的響應(yīng)圖，圖6為優(yōu)化后的顯控臺(tái)響應(yīng)圖，3個(gè)測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化前后的正弦響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)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(duì)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(tái)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(dāng)，優(yōu)化后在這4個(gè)頻率處的響應(yīng)穩(wěn)定性較好，顯控臺(tái)的剛度有了明顯改善，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)顯控臺(tái)的模態(tài)分析，得出了顯控臺(tái)整體的動(dòng)力學(xué)性能，并針對(duì)其相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。諧響應(yīng)分析表明：改進(jìn)后的顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)有了較大的改善，可滿(mǎn)足環(huán)境設(shè)計(jì)要求。該結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析為后續(xù)相應(yīng)環(huán)境試驗(yàn)積累了理論數(shù)據(jù)，并可有效替代傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性的過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了研制周期。以上分析方法也可供同類(lèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析及優(yōu)化參考。

[1] 魏強(qiáng). 機(jī)載顯控臺(tái)抗振動(dòng)仿真分析[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(4): 60-61, 64.

[2] 廖英強(qiáng)，蘇建河，柯善良. ANSYS在復(fù)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(xué)出版社, 2004.

孫 帆(1982-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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