計算機力學仿真在彈載模塊結構設計中的應用

劉全勝 白秀茹

摘要：在火箭發射過程中彈載電子設備會承受高強度的變頻率隨機載荷、沖擊載荷及加速度載荷，對于難以開展實際試驗的彈載電子設備，進行結構設計時，借助計算機結構力學仿真結果，在相應載荷工況下得到的仿真數據和可視化后處理圖像，可對彈載結構件所受應力及變形情況等進行力學和變形分析，從而達到快速完成結構設計、優化達到設計合理的目的，更好地控制科研成本和周期。

關鍵詞：力學仿真；隨機載荷；沖擊振動

中圖分類號：TP399文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）11-54-4

0引言

在電子設備研發領域，以ANSYS為主要工具的工程仿真，依據數字化樣機模型建立熱學和力學分析模型，能快速地模擬電子設備在各種載荷和環境條件下的響應，對難以開展實際試驗的樣機進行性能預測和校核，為電子設備滿足苛刻環境條件提供虛擬試驗技術支撐。結構仿真分析具有速度快、可靠性高、可改動性好和可模擬多種工況等優勢，在電子設備的結構設計中被頻繁使用。

通常創建有限元分析模型需要花費不少的時間，并且用戶需要掌握有限元方面的專業知識和建模技巧以確保分析模型的可靠性和經濟性，這就給對于時間、進度要求苛刻的結構有限元分析工作帶來了阻礙和困惑。而ANSYS Workbench不僅提供CAD風格可視化建模環境，將以往用戶難以掌握的建模技巧、單元關鍵字控制及邊界條件加載等做成了圖標式命令，還可將ANSYS Workbench強大的前處理和ANSYS Classic個性化設置相結合，可以用熟悉的命令進行各種控制，加快模型創建進度。

1問題描述

1.1結構外形

彈載產品具有小型化、集成化、高動態等特點。彈載天線模塊的三維模形如圖1所示，在火箭彈發射過程中，伴隨著沖擊振動和惡劣的環境，作為彈載設備的組成部分，該模塊必須能夠承受持續一段時間的變頻率隨機載荷、沖擊載荷和加速度載荷。

為了滿足設計要求，所有結構在振動區間內不能有共振頻率。作為難以開展實際試驗的樣機，在結構設計時，可以通過ANSYS Workbench的力學仿真模塊進行結構力學仿真，并進行隨機振動（瞬態動力學）和沖擊分析來確定結構對環境適應性的響應，以達到調整、優化結構設計的目的。本文針對天線模塊中的殼體（材料為99氧化鋁陶瓷）進行振動和沖擊環境適應性仿真分析。

1.2振動條件

天線模塊隨機寬頻帶振動，按照表1規定進行仿真。

1.3沖擊條件

天線模塊沖擊響應譜，按照表2規定進行仿真。

1.4殼體材料屬性

火箭發射時，天線模塊受到接近600℃的熱沖擊，因為99氧化鋁陶瓷具有優異的耐高溫性能，如表3所示，所以選用該材料作為天線模塊的殼體材料。

2 Workbench建模原則

在建立Workbench有限元模型時，需處理好細節問題，以得到精確的結果，原則如下。

（1）精確建模

有限元模型是從實際結構簡化提煉而來，所以必須保證有限元模型與原始結構能夠等效，在進行有限元分析時要選擇合適的單元類型，合理地劃分單元網格。有限元模型精確與否對計算結果誤差的大小和結論的正確性有直接影響。

（2）準確加載

準確加載是指有限元模型必須從分析、計算以及實驗各個方面確保載荷的位置、大小、加載方式和實際工況盡量一致，以確保載荷值可靠。

（3）正確約束

正確約束是指要完整地把握結構邊界條件及各部件之間的約束關系，找出決定連接性質的主要因素，以及替換約束的等效方式，確保連接關系的合理，保證計算模型中的邊界條件和連接關系與實際結構相符。

3力學仿真分析

3.1振動分析

為了分析天線模塊的振動情況，應用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Random Vibration模塊，進行振動分析。殼體的振動條件參數如表1所示，分別在， ，三個方向上添加振動激勵，求解在該條件下殼體的變形和應力，以確定其是否滿足設計要求。

（1）添加方向振動激勵

圖2從左至右分別為殼體在， ，三個方向的變形云圖，表4為隨機振動仿真結果，可以看出，殼體在振動沖擊下，最大的變形為1.06伊10-5mm，為向的變形。

圖3為振動激勵下殼體所受應力分布云圖，可以看出殼體所受的應力最大為0.108 MPa，受力范圍主要集中在天線罩拐角處，殼體應力范圍在99氧化鋁陶瓷的安全許用應力范圍內，殼體安全。

⑵添加Y方向振動激勵

圖4為殼體在， ，三個方向的變形云圖，表5為振動仿真結果統計?？梢钥闯?，殼體在振動下，最大的變形為1.83伊10-5mm，為向的變形。

圖5為振動激勵下殼體應力分布，可以看出殼體所受應力主要集中在天線罩拐角處，最大應力為0.11 MPa，應力范圍處在99氧化鋁陶瓷許用應力范圍內，殼體安全。

（3）添加方向振動激勵

圖6為殼體在， ，三個方向的變形云圖，表6為振動仿真結果統計。可以看出，殼體在振動激勵下，最大的變形為8.0伊10-5mm，為向的變形。

圖7為振動激勵下殼體應力分布，由圖中可以看出殼體所受應力主要集中在天線罩拐角處，最大應力為0.1 MPa，應力范圍處在99氧化鋁陶瓷許用應力范圍內，殼體安全。

3.2沖擊分析

為了分析天線模塊沖擊響應譜，應用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Response Spectrum模塊，進行了沖擊響應分析。

（1）X方向

按表2條件進行沖擊分析，加載方向為X方向。圖8得到在沖擊激勵條件下殼體各方向的變形量仿真結果。表7為各方向最大變形量統計結果，由表中數據可知，殼體最大變形量為方向0.0024 mm。

圖9為沖擊作用下殼體應力分布圖，可以看出沖擊過程中最大應力集中在器件圓孔處和天線罩拐角處，應力為2.16 MPa，所受應力在99氧化鋁陶瓷承受范圍內，殼體不會產生破壞。

（2）/方向

在/方向，按表2條件加載并進行沖擊分析，圖10為殼體各方向的變形量仿真結果。表7為各方向最大變形量統計結果，有表中數據可知，殼體最大變形量為方向0.002 39 mm。

圖11為殼體應力分布圖，可以看出沖擊過程中最大應力集中在天線罩拐角處，應力為76.65 MPa，所受應力在99氧化鋁陶瓷材料承受范圍內，殼體不會產生破壞。

4實驗結論

通過力學仿真結果可以看出，在火箭發射助推段隨機寬頻帶振動的多種環境下，彈載天線模塊殼體的變形量非常微小，應力也均在允許范圍內，所以模塊殼體可保障天線模塊的安全工作。

由于力學仿真所用模型和邊界條件與實際工況存在一定的差距，因此仿真數據無法完全準確反映實際情況，需要與初樣樣機試驗結果對照提升仿真和設計準確度，并進一步優化結構設計。

5結束語

在工程實踐中，伴隨CAE的深入開展，結構仿真分析從對產品設計的分析和校驗，到對產品性能的仿真和預測，再到設計方案的比較選擇與優化，都發揮了重要的作用，隨著運算力的不斷提升，計算機仿真必將引領電子設備結構設計進入一個新的階段。

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