板件厚度對(duì)箱體部件動(dòng)態(tài)特性影響的仿真分析

摘 要：箱體部件的動(dòng)態(tài)特性會(huì)影響箱體內(nèi)部的電子及機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)用性和使用者的主觀感受。基于有限元方法，詳細(xì)闡述了板件厚度對(duì)箱體的模態(tài)以及結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的影響，結(jié)果表明箱體厚度的增加會(huì)增大模態(tài)頻率，提高結(jié)構(gòu)剛度，抑制傳遞函數(shù)的幅值，改善箱體的動(dòng)態(tài)特性，并為之后箱體部件的正向設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：箱體；有限元；模態(tài)分析；傳遞函數(shù)

箱體部件通常作為一些電子產(chǎn)品以及機(jī)械產(chǎn)品的外保護(hù)殼，如臺(tái)式電腦主機(jī)箱和數(shù)控機(jī)床外殼等，不僅對(duì)內(nèi)部的元器件起到保護(hù)作用，還可以將內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境隔離，防止灰塵等入侵到箱體內(nèi)部。

通常，箱體內(nèi)會(huì)有散熱風(fēng)扇以及電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生特定階次的振動(dòng)，可能會(huì)與箱體產(chǎn)生共振，從而造成產(chǎn)品使用壽命降低，影響實(shí)用性，也會(huì)引起不愉悅的噪聲[1]，降低使用者的主觀感受。

文章通過(guò)有限元方法，對(duì)不同厚度的箱體進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算和比較，從而在設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)共振頻率，兼顧生產(chǎn)成本，為箱體部件的正向設(shè)計(jì)提供了參考方法。

1 動(dòng)態(tài)特性分析理論

一般無(wú)阻尼多自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng)微分方程的一般形式為[2]：

M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，K為系統(tǒng)剛度矩陣。一般多自由度系統(tǒng)的微分方程求解采用模態(tài)分析的方法。首先對(duì)原方程進(jìn)行坐標(biāo)變換，使方程之間解耦，將方程組轉(zhuǎn)化為n個(gè)獨(dú)立單自由度的系統(tǒng)的方程，最后得到系統(tǒng)的固有頻率和振型。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)分析時(shí)，也是采用模態(tài)疊加的方法求解振動(dòng)響應(yīng)，具有較高的精度。

2 模型創(chuàng)建

采用有限元前處理軟件Hypermesh建立箱體的幾何模型和有限元模型。文章中箱體模型的幾何尺寸為長(zhǎng)500mm，寬200mm，高500mm的立方體。有限元單元的尺寸為10mm，單元數(shù)量為9000個(gè)，選取箱體材料為鋼板，分別定義箱體A，B，C，D的板件厚度為0.5mm，1mm，1.5mm，2mm。圖1為箱體的有限元模型。

定義板件的材料屬性，分別設(shè)定材料的密度，楊氏模量和泊松比。（表1）

表1 板件材料屬性

3 模態(tài)分析

利用有限元軟件MSC.Nastran[3]進(jìn)行模態(tài)分析，采用SOL103求解器求解，箱體A前六階模態(tài)頻率及模態(tài)振型如表2所示。

通過(guò)對(duì)比箱體A，B，C，D的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，發(fā)現(xiàn)箱體的模態(tài)振型相同，模態(tài)頻率不同，而且各階模態(tài)頻率正比于箱體的板件厚度。表3為箱體A，B，C，D前六階模態(tài)頻率統(tǒng)計(jì)。

可以看到板件厚度的增加不會(huì)改變箱體的模態(tài)振型，但會(huì)增加模態(tài)頻率。模態(tài)頻率的數(shù)值正比于板件的厚度，說(shuō)明板件厚度的增加可以增大結(jié)構(gòu)的剛度，使整體模態(tài)頻率提高。

4 結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)分析

對(duì)不同板件厚度的箱體進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，可以得到箱體在單位力激勵(lì)下響應(yīng)點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值，更直觀的了解板件厚度對(duì)振動(dòng)特性的影響。

利用有限元軟件MSC.Nastran進(jìn)行傳遞函數(shù)析，激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)位置如圖2所示，不同箱體各個(gè)階次下的相應(yīng)幅值如圖3所示。

由傳遞函數(shù)幅值對(duì)比圖中可以看到，隨著板件厚度的增加，各個(gè)階次下響應(yīng)點(diǎn)加速度的幅值明顯降低，剛度增加，箱體的振動(dòng)受到抑制，箱體的動(dòng)態(tài)特性改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)有限元仿真的方法，對(duì)不同板件厚度的箱體進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算和對(duì)比。模態(tài)分析結(jié)果表明厚度并不會(huì)改變各個(gè)階次的模態(tài)振型，但會(huì)增加模態(tài)頻率，而且模態(tài)頻率正比于板件的厚度。傳遞函數(shù)分析結(jié)果表明隨著板件厚度的增加，箱體的剛度會(huì)明顯增加，各個(gè)階次下響應(yīng)點(diǎn)加速度幅值明顯降低，板件的振動(dòng)受到抑制，從而改善了箱體的振動(dòng)和噪聲特性。

工程中對(duì)箱體部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮材料的成本，箱體內(nèi)部激勵(lì)源主要的階次頻率以及箱體的動(dòng)態(tài)特性。這樣既能兼顧制造成本，又能提高產(chǎn)品性能。箱體動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算對(duì)比，可以為工程中箱體部件的正向設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃磊.螺栓與掛鉤連接薄板及箱體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)研究和有限元分析[D].上海交通大學(xué)，2008.

[2]顧海明，周勇軍.機(jī)械振動(dòng)理論與應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，2007：83-84.

[3]MSC.Nastran 2004 Release Guide. Santa Anna： MSC.Nastran Corporation，2004.

作者簡(jiǎn)介：趙希萌（1995-），女，山東德州人，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。