基于ANSYS Workbench的航空電子機(jī)箱模態(tài)分析

□于濤 □張海燕 □溫龍

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 山東青島 266510

隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，并創(chuàng)造了越來(lái)越大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。航空電子機(jī)箱是安裝和保護(hù)各種電路單元、元器件及機(jī)械零部件的重要電子設(shè)備，其結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能將直接影響電信號(hào)的傳輸以及電子系統(tǒng)的可靠性。然而，機(jī)箱在運(yùn)輸、使用過(guò)程中不可避免地會(huì)受到各種形式機(jī)械力的作用，特別是振動(dòng)和沖擊會(huì)給電子設(shè)備帶來(lái)巨大的危害。因此在機(jī)箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了提高機(jī)載電子設(shè)備的可靠性，應(yīng)用有限元仿真技術(shù)對(duì)機(jī)箱抗振動(dòng)沖擊的能力進(jìn)行分析是很有必要的。通過(guò)機(jī)載機(jī)箱的模態(tài)分析，獲得其固有頻率，從而可以幫助設(shè)計(jì)人員有效地避開(kāi)結(jié)構(gòu)的共振頻率。

1 航空電子機(jī)箱結(jié)構(gòu)模型

機(jī)箱結(jié)構(gòu)主要由組件1～組件10共10個(gè)模塊、一個(gè)機(jī)箱和一塊背板組成，10個(gè)模塊由楔形鎖緊機(jī)構(gòu)和螺釘固定在機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱主要由箱體、前蓋板、后蓋板及風(fēng)扇組成。箱體由焊接而成，前后蓋板用螺栓與之連接。前蓋板底部用兩個(gè)前鎖緊機(jī)構(gòu)與安裝架固定，后蓋板底部用兩根銷軸與安裝架連接。另外，考慮到計(jì)算經(jīng)濟(jì)性的要求，若使用實(shí)際機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析是非常困難的，這就需要對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，需要?jiǎng)h除掉模型的細(xì)小幾何特征和不必要的冗余幾何特征（如圖1所示）。

2 有限元模型的模態(tài)分析

2.1 模型的網(wǎng)格劃分

▲圖1 機(jī)載機(jī)箱的整體外形結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 機(jī)載機(jī)箱整體網(wǎng)格劃分圖

機(jī)箱模型的網(wǎng)格劃分主要采用網(wǎng)格細(xì)化方法，經(jīng)過(guò)分析最終確定了一個(gè)模態(tài)數(shù)飽和的有限元模型，它有164 375個(gè)單元、749 494個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)模型的網(wǎng)格主要采用人工控制劃分，以確保網(wǎng)格劃分的有效性和合理性，從而提高計(jì)算精度。在此過(guò)程中主要采用的控制劃分方法有5種：（1）六面體核心網(wǎng)格劃分；（2）尺寸控制網(wǎng)格劃分；（3）掃掠網(wǎng)格劃分；（4）分塊網(wǎng)格劃分；（5）局部網(wǎng)格細(xì)化。箱體和安裝架采用了體單元尺寸控制和六面體核心劃分的方法，支耳采用分塊網(wǎng)格劃分和掃掠網(wǎng)格劃分的方法，元器件引腳處采用了局部網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

2.2 機(jī)載機(jī)箱模態(tài)分析環(huán)境設(shè)置和模型的接觸設(shè)置

機(jī)載機(jī)箱在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，機(jī)箱模型所施加的約束為：機(jī)載機(jī)箱安裝架底部4個(gè)凸臺(tái)及凸臺(tái)上的螺栓孔采用全約束。在有限元前處理過(guò)程中，模型的裝配連接問(wèn)題是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，裝配模型中各個(gè)部件之間的接觸關(guān)系將直接影響到有限元分析的結(jié)果。在機(jī)箱結(jié)構(gòu)中，為了等效實(shí)際的約束情況，本次仿真分析主要設(shè)定有綁定接觸和不分離接觸。

綁定接觸是指兩個(gè)部件之間面面接觸、線線接觸、線面接觸，不會(huì)發(fā)生法向的互相分離和切向的相對(duì)滑動(dòng)，可將它們看作粘合的一體。在分析過(guò)程中，接觸之間的滲透將被忽略。箱體前蓋板和左側(cè)板之間、組件蓋板和箱體上蓋板之間為綁定接觸。

不分離接觸類似于綁定接觸，但其只應(yīng)用于面面接觸，它不允許面面之間發(fā)生法向分離，但允許接觸面在切向上無(wú)摩擦滑動(dòng)。箱體側(cè)板與安裝架之間、銷軸和銷套之間為不分離接觸。

2.3 分析結(jié)果

對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲得模態(tài)分析結(jié)果，計(jì)算出2 000 Hz內(nèi)結(jié)構(gòu)所有的固有頻率，其頻率階數(shù)如圖3所示。

由上面列表可看出，機(jī)箱結(jié)構(gòu)在2 000 Hz內(nèi)包含36階固有頻率。現(xiàn)提取前6階、第9階及第29階的固有頻率，相應(yīng)的各階振型如圖4～圖11所示。

從表1中可以看出，結(jié)構(gòu)的薄弱部分為安裝架背板，這是因?yàn)楸嘲逖豗方向的跨度比較大且背板本身較薄，故其剛度較小，易于誘發(fā)較大幅度振動(dòng)。另外，由圖中數(shù)據(jù)可知第3階頻率（箱體的第1階固有頻率）為433.66 Hz，第9階頻率（組件的第1階固有頻率）為886.32 Hz，第29階頻率（PCB板的第1階固有頻率）為1 777.8 Hz，整個(gè)結(jié)構(gòu)從整機(jī)級(jí)到組件級(jí)再到板級(jí)滿足倍頻法則。

表1 機(jī)載機(jī)箱所提取的8個(gè)固有頻率

▲圖3 頻率列表

▲圖4 第1階模態(tài)振型圖

▲圖5 第2階模態(tài)振型圖

▲圖6 第3階模態(tài)振型圖

▲圖7 第4階模態(tài)振型圖

▲圖8 第5階模態(tài)振型圖

▲圖9 第6階模態(tài)振型圖

▲圖10 第9階模態(tài)振型圖

▲圖11 第29階模態(tài)振型圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)航空電子機(jī)箱進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)分析得出航空電子機(jī)箱的固有頻率和模態(tài)振型，不僅可以為后期進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析以及隨機(jī)振動(dòng)分析等提供重要的模態(tài)參數(shù)，還可以為機(jī)載機(jī)箱結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和機(jī)箱故障的診斷和預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)，并且通過(guò)系統(tǒng)載荷的識(shí)別，對(duì)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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