某機(jī)載設(shè)備柜振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)

李文志， 潘 哲， 慎利峰， 賀 勇

（1.中國(guó)電子科學(xué)研究院， 北京 100041； 2.空裝駐北京地區(qū)第四軍事代表室， 北京 100041）

0 引言

對(duì)于機(jī)載設(shè)備柜， 振動(dòng)試驗(yàn)是其研制過(guò)程中必須進(jìn)行的環(huán)境試驗(yàn)[1]， 其目的是考核設(shè)備柜能否承受載機(jī)起飛、巡航、降落及滑行過(guò)程中可能遇到的振動(dòng)和沖擊等動(dòng)態(tài)環(huán)境。

機(jī)載設(shè)備柜一般通過(guò)底部和背部（或頂部）連接點(diǎn)與載機(jī)固定，且設(shè)備柜高度一般會(huì)超過(guò)1.7m，無(wú)法直接固定在振動(dòng)臺(tái)面上進(jìn)行試驗(yàn)，因此需要設(shè)計(jì)振動(dòng)工裝，將設(shè)備柜與振動(dòng)臺(tái)連接起來(lái)。 振動(dòng)工裝性能的好壞決定了振動(dòng)試驗(yàn)的可靠度和真實(shí)度。 為了將振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)特性如實(shí)地傳遞給設(shè)備柜， 對(duì)振動(dòng)工裝的一般要求如下： ①機(jī)械：滿(mǎn)足設(shè)備柜的安裝要求，盡量模擬設(shè)備柜的實(shí)際安裝狀態(tài)； 滿(mǎn)足振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的安裝要求， 關(guān)注重心的重合度；同時(shí)考慮加工工藝及周期、經(jīng)濟(jì)性等；②質(zhì)量：在滿(mǎn)足試驗(yàn)條件和振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備能力要求下盡可能輕； ③傳遞特性：固有頻率一般要高于設(shè)備柜固有頻率的3～5 倍，振動(dòng)響應(yīng)放大因子＜3[2]。

本文針對(duì)某型36U 高度機(jī)載設(shè)備柜進(jìn)行振動(dòng)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 并基于有限元仿真技術(shù)對(duì)振動(dòng)工裝進(jìn)行有限元建模，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)加載真實(shí)的振動(dòng)條件，對(duì)工裝進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，對(duì)工裝強(qiáng)度做出評(píng)價(jià)，并將求解結(jié)果用于振動(dòng)工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)載振動(dòng)環(huán)境

機(jī)載振動(dòng)譜一般為窄帶+寬帶的振動(dòng)譜，以螺旋槳飛機(jī)為例，振動(dòng)譜見(jiàn)圖1，圖中L0=0.3g2/Hz。

圖1 螺旋槳飛機(jī)振動(dòng)譜

2 振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為某型36U 高度機(jī)載設(shè)備柜振動(dòng)工裝效果圖，設(shè)備柜通過(guò)底部和頂部固定點(diǎn)與振動(dòng)工裝連接。 振動(dòng)工裝采用圖2 所示結(jié)構(gòu)形式，為減輕工裝重量，采用鋁合金（ZL101A）材料鑄造成型。外形尺寸為940mm（寬）×880mm（深）×1930mm（高），側(cè)面壁厚均為120mm。 試驗(yàn)時(shí)，工裝通過(guò)底面固定到振動(dòng)臺(tái)面上。

圖2 振動(dòng)工裝效果圖

3 有限元建模

3.1 材料參數(shù)

振動(dòng)工裝主要材料為鋁合金 （ZL101A）， 其彈性模量E=71Gpa，密度ρ=2700kg/m3，泊松比ν=0.33，屈服極限σ0.2=223Mpa，抗拉強(qiáng)度σb=253Mpa[3]。

3.2 有限元模型

設(shè)備柜振動(dòng)工裝必須工作在材料彈性范圍內(nèi)， 故本文在建模、加載及求解過(guò)程中均只考慮彈性情況，而不考慮材料塑性的影響。

為了建模更為合理，建模時(shí)依據(jù)如下基本原則：①模型能較全面、準(zhǔn)確地反映振動(dòng)工裝的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；②模型受載與實(shí)際工作中載荷相同； ③模型的約束條件處理與實(shí)際工作時(shí)保持一致。 在有限元建模時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要簡(jiǎn)化。

振動(dòng)工裝有限元模型參見(jiàn)圖3。

圖3 振動(dòng)工裝有限元模型

3.3 約束條件

結(jié)合振動(dòng)工裝的外形尺寸和重心位置， 并根據(jù)實(shí)際的約束條件， 確定振動(dòng)工裝采用底部固定的安裝方式并確定安裝點(diǎn)位置。 對(duì)建立的有限元模型在安裝點(diǎn)施加約束，約束六個(gè)方向的自由度。

4 模態(tài)分析

本次計(jì)算了前10 階模態(tài)，見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)工裝的前10 階固有頻率

計(jì)算結(jié)果顯示，振動(dòng)工裝第1 階模態(tài)為165.29Hz，主要表現(xiàn)為振動(dòng)工裝頂部左右方向的扭轉(zhuǎn)，其振型見(jiàn)圖4。對(duì)照?qǐng)D1 中激振頻率范圍， 可見(jiàn)振動(dòng)工裝整體結(jié)構(gòu)能夠避開(kāi)與振動(dòng)源的共振。 而機(jī)載設(shè)備柜的一階固有頻率一般在50Hz 以下，此時(shí)，振動(dòng)工裝的固有頻率僅是設(shè)備柜固有頻率的3 倍，固有頻率偏低，需進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 第1 階模態(tài)振型

5 振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力分析

對(duì)振動(dòng)工裝進(jìn)行振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力分析， 在振動(dòng)工裝的約束點(diǎn)分別輸入X、Y、Z 三個(gè)方向的振動(dòng)，振動(dòng)量值見(jiàn)圖1。振動(dòng)工裝上不同部位在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的3σVon Mises應(yīng)力響應(yīng)幅值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2 及圖5～圖7。

表2 各方向的3σVon Mises 應(yīng)力響應(yīng)幅值

圖5 X 方向3σVon Mises 應(yīng)力云圖

圖6 Y 方向3σVon Mises 應(yīng)力云圖

圖7 Z 方向3σVon Mises 應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果顯示，X 方向（即振動(dòng)工裝前后方向）振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)工裝應(yīng)力響應(yīng)幅值最大。 對(duì)照3.1 節(jié)中材料的屈服極限σ0.2=223Mpa， 可見(jiàn)振動(dòng)工裝在圖1 的振動(dòng)條件下能夠滿(mǎn)足要求，此時(shí)安全系數(shù)為1.47，滿(mǎn)足要求。

6 振動(dòng)響應(yīng)分析

對(duì)振動(dòng)工裝進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析， 在振動(dòng)工裝的約束點(diǎn)分別輸入X、Y、Z 三個(gè)方向的振動(dòng)，振動(dòng)量值見(jiàn)圖1，輸入振動(dòng)的加速度均方根值為Grms=6.4g。

取工裝的右前頂點(diǎn)進(jìn)行分析，計(jì)算響應(yīng)的加速度均方根值見(jiàn)表3。 工裝右前點(diǎn)Y 方向的功率譜密度響應(yīng)見(jiàn)圖8。

表3 各方系響應(yīng)的加速度均方根值

圖8 右前頂點(diǎn)Y 方向功率譜密度響應(yīng)

計(jì)算結(jié)果顯示， 振動(dòng)工裝各方向響應(yīng)的加速度均方根值放大倍數(shù)均不超過(guò)3，滿(mǎn)足要求。

7 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上述對(duì)振動(dòng)工裝進(jìn)行模態(tài)分析和振動(dòng)分析， 可見(jiàn)振動(dòng)工裝除固有頻率偏低外均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 要提高工裝的固有頻率需增加側(cè)面壁厚， 這就會(huì)增加工裝的重量，增大成本。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為了在提高固有頻率的同時(shí)不增加重量， 對(duì)振動(dòng)工裝四根立柱采用變截面的形式，增加立柱底面的截面積，減小立柱頂面的截面積，見(jiàn)圖9。 重新仿真后，振動(dòng)工裝第1 階模態(tài)為247.68Hz，見(jiàn)圖10，比優(yōu)化前提高了近50%，已經(jīng)是設(shè)備柜固有頻率的5 倍；3σVon Mises 應(yīng)力響應(yīng)幅值為137.62MPa，見(jiàn)圖11，此時(shí)安全系數(shù)為1.6；振動(dòng)工裝各方向響應(yīng)的加速度均方根值放大倍數(shù)均不超過(guò)3；同時(shí)，優(yōu)化后工裝重量較優(yōu)化前減小10%，優(yōu)化效果明顯。

圖9 優(yōu)化后振動(dòng)工裝效果圖

圖10 第1 階模態(tài)振型

圖11 X 方向3σVon Mises 應(yīng)力云圖

8 結(jié)論

本文利用有限元軟件ANSYS 建立了某機(jī)載設(shè)備柜振動(dòng)工裝的模型， 并進(jìn)行模態(tài)分析和機(jī)載振動(dòng)條件下的振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力和響應(yīng)分析。 并依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)振動(dòng)工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比，得出振動(dòng)工裝的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

以上分析方法可用于其他同類(lèi)設(shè)備的振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)。