李 婷，張 宇，楊 嬌

（國(guó)營(yíng)第785廠第三研究所， 山西 太原 030024）

引言

作為特殊的電子產(chǎn)品，車(chē)載加固顯示器長(zhǎng)期置于惡劣的環(huán)境條件下，這意味著振動(dòng)環(huán)境對(duì)車(chē)載加固顯示器可靠性的影響非常重要。振動(dòng)試驗(yàn)夾具用于安裝固定車(chē)載加固顯示器，模擬其在實(shí)際工作狀態(tài)下傳遞振動(dòng)的特性，試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)的好壞極大地影響了振動(dòng)結(jié)果。選用理想的振動(dòng)試驗(yàn)夾具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載加固顯示器的不失真?zhèn)鬟f作用，從而使產(chǎn)品更好地適應(yīng)嚴(yán)格的振動(dòng)指標(biāo)。

1 車(chē)載加固顯示器振動(dòng)試驗(yàn)夾具有限元模型的建立

以LDS V984振動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)L型結(jié)構(gòu)的車(chē)載加固顯示器振動(dòng)試驗(yàn)夾具，其整體尺寸設(shè)計(jì)為800 mm×800 mm×1 900 mm，選用鋁合金材質(zhì)。與振動(dòng)系統(tǒng)間采用螺栓固定，并預(yù)留沉頭連接孔。兩側(cè)和后板均采用加強(qiáng)筋均布來(lái)加大夾具的固有頻率。

振動(dòng)試驗(yàn)夾具的實(shí)體模型是通過(guò)三維建模軟件Solid Edge V20來(lái)實(shí)現(xiàn)各種特征的創(chuàng)建。網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞極大程度上決定著有限元分析結(jié)果的精確程度，故網(wǎng)格大小的選擇有著至關(guān)重要的作用[1]。本文選用四面體單元對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型見(jiàn)圖1，共計(jì)119 646個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，67 474個(gè)網(wǎng)格數(shù)。

2 隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析與求解

在振動(dòng)下極易引起設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)位移，加劇結(jié)構(gòu)的疲勞和磨損。隨機(jī)振動(dòng)作為一種非確定性振動(dòng)，無(wú)法用準(zhǔn)確的函數(shù)來(lái)說(shuō)明，就某范圍而言，其可借助功率譜密度（PSD）來(lái)確定。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證設(shè)備是否能承受壽命周期內(nèi)的振動(dòng)與其他疊加條件下正常工作[2]?；谟邢拊夹g(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)夾具的隨機(jī)振動(dòng)分析，來(lái)驗(yàn)證其是否滿足振動(dòng)要求，以完善制造完整性和系統(tǒng)可靠性。

2.1 隨機(jī)振動(dòng)理論基礎(chǔ)

響應(yīng)的功率譜密度函數(shù)矩陣：

式中：φN為系統(tǒng)的簡(jiǎn)正模態(tài)矩陣，H（w）代表關(guān)于正則坐標(biāo)的復(fù)頻響應(yīng)矩陣，H*（w）是其共軛陣。

通過(guò)公式（2）可借助已知激勵(lì)的功率譜矩陣SFF（w）計(jì)算出響應(yīng)的功率譜矩陣Sxx（w）。將SFF（w）進(jìn)行傅里葉逆變換，即獲得響應(yīng)的相關(guān)函數(shù)矩陣[3]：

2.2 模態(tài)分析

在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析之前，需進(jìn)行模態(tài)分析。將振動(dòng)試驗(yàn)夾具的底部螺栓連接面采用全固定約束，求解得到振動(dòng)試驗(yàn)夾具的前十階固有頻率，如下頁(yè)表1所示，前2階模態(tài)振型如下頁(yè)圖2所示。

表1 振動(dòng)試驗(yàn)夾具的前十階固有頻率

圖2 前2階模態(tài)振型

2.3 隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析

車(chē)載加固顯示器振動(dòng)試驗(yàn)夾具振動(dòng)譜型參考《GJB150.16A-2009》軍用裝備實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)部分高速公路卡車(chē)振動(dòng)環(huán)境荷載譜參數(shù)，其拐點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。

為保證足夠的計(jì)算精度，先求解的模態(tài)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率應(yīng)大于激勵(lì)的頻率。由表1可知，最高階頻率為600.48 Hz，大于500 Hz，說(shuō)明振動(dòng)試驗(yàn)夾具前十階模態(tài)分析可滿足計(jì)算精度。

選擇PSDG Acceleration，將表2所示縱向、橫向和垂向三個(gè)方向的PSD譜激勵(lì)分別加載到車(chē)載加固顯示器振動(dòng)試驗(yàn)夾具上。載荷設(shè)置完成后，提取等效應(yīng)力結(jié)果圖。ANSYS軟件默認(rèn)提取的是一個(gè)“Sigma”概率對(duì)應(yīng)的值，為了實(shí)現(xiàn)廣泛性，本次分析以“3Sigma”概率結(jié)果查看，結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)分析結(jié)果可知：車(chē)載加固顯示器振動(dòng)試驗(yàn)夾具在最大應(yīng)力點(diǎn)處有不超過(guò)99.737%的概率形成9.961 4 Max應(yīng)力，這對(duì)于一般的鋁合金結(jié)構(gòu)而言，此應(yīng)力值較為安全，可滿足試驗(yàn)振動(dòng)夾具要求。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)L型結(jié)構(gòu)的車(chē)載加固顯示器振動(dòng)試驗(yàn)夾具,并采用加強(qiáng)筋均布于兩側(cè)和后板的形式，在有效控制振動(dòng)試驗(yàn)夾具重量的同時(shí)，較好地加大了固有頻率。借助有限元法進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)夾具隨機(jī)振動(dòng)的響應(yīng)分析，驗(yàn)證了模型的合理性，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。該方法對(duì)其他類(lèi)似電子設(shè)備的設(shè)計(jì)也具有很好的指導(dǎo)和參照意義。

表2 高速公路卡車(chē)振動(dòng)環(huán)境荷載譜參數(shù)

圖3 等效應(yīng)力云圖

[1]魏新利，付衛(wèi)東，張軍.泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]劉天笑，蔣超奇，蔣丙云，等.ANSYS Workbench有限元分析工程實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2017.

[3]莊表中，梁以德，張佑啟.結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.