某設備箱在隨機特定激勵下的結構響應分析

韓東霏

(中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 1 3 7 0 0 1)

某設備箱在隨機特定激勵下的結構響應分析

韓東霏

(中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 1 3 7 0 0 1)

某設備包裝箱體在批量生產前，需進行結構優化設計。模態分析可得其結構振動固有頻率數據，再通過進行車載環境下的橫側軸和垂直軸隨機振動P S D分析，得到相關的數值仿真結果，合理對其結構的環境適應性進行預判，并為今后完善結構提供科學依據，為振動試驗提供理論基礎。

設備箱；隨機激勵；結構響應

在運輸過程中，低頻振動易對精密器件造成機械性損傷，而合理的包裝箱設計可預防其因受到振動和機械沖擊而產生損壞。為預判某設備包裝箱設計缺陷、結構優化和提高產品可靠性，在模擬隨機振動激勵條件下，對其整體動強度和加速度響應進行數值分析。

分析可知其動態特性與應力、應變和振動頻率的關系，在預測振動響應幅預和提高隔振設計效果等方面提供了理論支持，避免了材料浪費，縮短了設計周期和降低成本。

1 結構模態方程分析

求出系統的模態參數需進行模態分析，對線性定常系統振動微分方程組解耦。重要參數即結構固有頻率和振型，為動態載荷結構設計中確定設計機構或機器部件的振動特性。忽略箱體結構阻尼對低階固有頻率和振型的影響，無阻尼自由振動方程。

解為位移幅值U的齊次方程為（2）式：

當系數行列式為0時，可得到非零解，即

2 某設備箱模態分析

2.1 頻率提取分析

將特征值數目設為至少3 0 0 0以上，能保證在頻率提取分析步中提取足夠數量的模態，所提取的最高頻率為1 2 4 0 6 Hz。當某設備箱底部固定時，振動的主要方向是Z方向。在Z方向上總的有效質量為1 9.5 6 8 k g，模型的總質量為2 1.7 4 2 3 2 k g，在Z方向上總有效質量占可運動質量的比例為9 0%，提取了足夠的模態。

圖1 R MS分布云圖

2.2 特定隨機激勵譜分布

將某設備箱底部固定于振動臺面上，從臺面底部輸入隨機振動加速度激勵，并在約束處施加三個方向的加速度功率譜激勵。當模擬結構在隨機激勵載荷作用下的響應分布時，構件中較薄弱的部位容易導致結構的失效。對模型在三個方向進行隨機振動分析，由于第1 0階諧振頻率超出隨機振動加速度激勵譜，故在橫側軸、垂直軸加速度響應譜激勵下，給出滿足功率譜密度的模型在Z方向的RMS分布云圖（圖1）。

選取橫側軸、垂直軸激勵下，RMS分布云圖中所受應力均較大的四點：左側壁底部節點2、左側壁與頂部交結處節點7 3、頂部凸起節點2 7 5與7 0 8、右側壁節點1 6 0 4和右側壁與底部交結處節點1 6 2 4，得到模型在所設定激勵情況下響應頻率分布（圖2）。

從橫側軸、垂直軸激勵輸出譜中可知，頻率在小于和大于2 5 0 Hz時，各節點響應比較緩和，與激勵輸入值比較接近。在2 0 0～2 5 0 Hz時，各節點響應較強烈，結構發生強烈響應的頻率在其二階固有頻率附近。

圖2 節點Z方向在隨機激勵下的響應分析

3 結論

通過模態分析和P S D可知，箱體結構左、右側壁底端拐角處、頂部及左、右側壁中心處在隨機振動中出現破壞的機率較高。建議應對其側壁底端拐角處、蓋體交結處及右側壁處進行材料強化，同時將拐角處變為圓角，這樣能減少應力集中產生，增加連接強度。在滿足要求的情況下，可考慮將應力小的部分設計尺寸減小，提高材料利用率。

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