基于ANSYS Workbench隨機振動分析的ATR安裝架優化設計

楊春林， 王婧

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

0 引言

隨機振動是工程技術領域經常遇到的問題。隨著技術的發展，隨機振動已成為電子設備工程結構設計中最重要的課題。以前的很多結構設計都是由具有豐富設計經驗的設計人員憑借主觀判斷或者是僅僅做一些簡單的結構計算，設備一旦定型，還會作為后續模板在其他項目中被模仿。但是隨著實際工程的振動環境越來越復雜，同時對設備輕量化要求的不斷提高，需要采用更加現代化的設計手段來對設備進行抗振優化設計。

本文對ATR機架的設計采用了系統工程，采用系統設計方法，設計、計算、繪圖等廣泛使用計算機技術，開展數字化設計。通過UG建立整機三維模型，然后導入ANSYS Workbench中進行隨機振動分析，使設計者在產品進行隨機振動試驗之前就掌握設備的應力應變等特性，可及時對設備進行優化設計，避免試驗后的重大改動，提高產品結構設計效率，有效降低產品成本。

1 ANSYS Workbench隨機振動分析簡介

有限元是力學、數學、物理學、計算方法、計算機技術等多種學科綜合發展和結合的產物。它的實質是將復雜的連續體劃分為有限個簡單的單元體，化無限自由度問題為有限自由度問題，將連續場函數的（偏）微分方程的求解問題轉化為有限個參數的代數方程組的求解問題[1]。

ANSYS Workbench是ANSYS公司在ANSYS軟件基礎上推出的一種集成框架，它整合現有的各種應用，并將仿真過程結合在一起。其中的隨機振動分析（Random Vibration）模塊廣泛應用于機載電子設備、聲學裝載部件、抖動光學對準設計等行業。

2 非標ATR安裝架結構設計

ATR機架是用在機載機柜系統中，用來實現電子設備在機柜上的安全、方便和快速安裝拆卸。作為機載設備與機柜之間的安裝件，安裝架直接影響設備的可靠性。由于機載系統的機械環境較為惡劣，系統對產品的要求也非常高，這在一定程度上限制了安裝架材料和結構形式的選擇，因此ATR機架既要結構合理、重量輕，同時也要具有較高的剛度和強度，滿足有限空間、重量以及嚴酷環境的要求。

安裝架為“口”字形結構，外形尺寸為490 mm（寬）×43 mm（高）×504.5 mm（深）。架上安裝的設備總重量為10 kg，通過安裝架與機柜連接。安裝架主要由機柜連接件、側板、后定位件、前鎖緊件構成。

圖1 安裝架上設備示意圖

圖2 安裝架示意圖

設備從前向后采取推入式安裝，當后面板的導銷與安裝架的導套安裝面緊密配合時設備即安裝到位，然后將安裝架的前鎖緊裝置和設備前面的緊定鉤配合，這樣前后配合的安裝方式，即可將ATR設備緊密固定在機架上，從而固定在機柜上。為避免設備推入時將設備底面劃傷，在安裝架與設備之間設計了聚四氟乙烯的墊板。

3 安裝架有限元分析

3.1 有限元模型的建立

結構模型建立后，需要對結構模型做適當的簡化。根據有限元理論，需要刪除或抑制某些對實際問題研究影響較小的特征，減少模型的特征數，以降低網格單元總數，有效利用計算資源，縮短計算時間。建立簡化的、正確的有限元模型是有限元分析的先決條件。

本文用到的簡化模型的方法主要有以下幾種：1）在UG中刪除對分析影響較小的小孔、小的凸臺；2）將對分析影響較小的倒角、圓角進行適當處理；3）刪除螺栓、螺釘等小特征，改用適當的接觸約束代替。

在對結構模型進行適當簡化后，本文在ANSYS Workbench中建立的有限元模型如圖3所示，其中架上設備簡化為與實際設備等質量、等體積且質心重合的空心鋁合金體，網格單元數量為196 037，節點數量為366 610。

圖3 安裝架及設備的有限元模型

3.2 材料特性

ATR安裝架采用的材料主要是鋁合金5A06和不銹鋼1Cr18Ni9Ti，材料力學性能如表1所示[2]。

表1 材料特性參數

3.3 隨機振動環境條件

隨機振動的獨特之處是，在給定帶寬內的所有頻率自始至終在任一瞬時都會出現在隨機振動中。這就意味著，當一個電子系統經受一個頻率范圍內的隨機振動環境時，電子系統在相同帶寬內的所有結構諧振頻率都將同時受到激發。

電子工業界中通常使用功率譜密度P（或均方根加速度密度）作為隨機振動環境的單位，它用重力單位進行測量，因此沒有量綱。功率譜密度的公式如下：P=a2/f。其中：a為加速度，f為頻率。

10g的加速度水平意味著加速度具有10倍于重力加速度的量值。

根據相關環境適應性要求，安裝架及設備采用寬帶加窄帶的隨機振動曲線譜進行試驗，振動圖譜如圖4所示。

圖4 隨機振動譜線

3.4 隨機振動分析

表2 模態分析結果

將有限元模型建立好后，對有限元模型進行模態分析和隨機振動分析，提取前5階模態參數如表2所示。

對分析的結果施加圖4所示的激勵條件，可以得到安裝架的X、Y、Z方向的應力云圖，云圖如圖5所示。

圖5 X/Y/Z方向應力云圖

圖6 結構優化后安裝架結構

4 安裝架結構優化及分析

4.1 結構優化設計

如圖5所示，計算的最大結果分別為X方向的263 MPa,Y方向的425.73 MPa，Z方向的152.68 MPa，而且最大值都出現在安裝架與機柜連接件的彎角處，機柜連接件的許用應力為250 MPa，顯然X方向和Y方向的計算應力都大于材料許用應力，不能滿足設計要求，必須對結構方案進行優化。

表3 模態分析結果

根據前面的分析結果，需要對安裝架應力超出許用應力部分結構進行結構優化設計，經過綜合考慮，優化設計后的結構如圖6所示，在連接件彎角部分增加了加強筋，而且將連接件靠近彎頭處的螺釘盡可能向兩端移動，通過這兩項措施增加零件本身薄弱環節的強度。

4.2 優化后結構的隨機振動分析

對優化后的結構進行模態分析和隨機振動分析，與之前進行的內容一樣，提取前5階模態參數如表3所示。同樣對分析模型施加圖4所示的激勵條件，可以得到其X、Y、Z方向的應力云圖。

分析結果顯示，最大應力分別為X方向的64.48 MPa，Y方向的83.4 MPa，Z方向的38.73 MPa，連接件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，許用應力為250 MPa，安全系數n=250/83.4=3＞2，還有較大的安全裕量。

5 結語

本文通過ANSYS Workbench對ATR機架進行了模態分析和有限元分析，并在分析的基礎上進行了結構優化，通過對比優化前后的分析結果，優化后的結構應力得到明顯的改善，應力水平大幅下降，X方向應力值下降了75.5%，Y方向應力值下降了80.4%，Z方向應力值下降了74.6%。說明經過優化后的ATR安裝架結構能夠滿足設備環境條件，而且具有較大的安全系數。

[1]丁科，陳月順.有限單元法[M].北京：北京大學出版社,2007.

[2]工程材料實用手冊編輯委員會.工程材料實用手冊[M].北京:中國標準出版社,1989.