結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真在機(jī)載產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙 偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

ANSYS有限元分析軟件采用的是有限元分析方法。有限元分析是把物體通過網(wǎng)格的劃分，分解為多個(gè)大小和形狀不統(tǒng)一、互相聯(lián)結(jié)的有限個(gè)小單元，然后分析每個(gè)單元。簡(jiǎn)單來說，它就是把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。以有限元分析方法為基礎(chǔ)的ANSYS軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、熱力學(xué)分析、流體力學(xué)分析和電磁分析等，應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于航空航天、電子、土木工程和機(jī)械制造領(lǐng)域[1]。

機(jī)載電子設(shè)備安裝架作為連接機(jī)載電子設(shè)備與飛機(jī)機(jī)架的機(jī)械接口，具有緊固和支持機(jī)載電子設(shè)備的作用。性能優(yōu)良的安裝架是機(jī)載電子設(shè)備正常工作的保障[2-3]。

通常有限元分析的模型的繪制比較耗時(shí)，且需要掌握建模技巧和有限元方面的專業(yè)知識(shí)，對(duì)普通工程師來說有一定的難度。ANSYS Workbench提供CAD風(fēng)格可視化建模環(huán)境，且將以往用戶難以掌握的建模技巧、單元關(guān)鍵字控制以及邊界條件加載等做成圖標(biāo)式命令，還可將ANSYS Workbench強(qiáng)大的前處理和ANSYS Classic個(gè)性化設(shè)置相結(jié)合，不僅可以最大程度地方便模型前處理工作，還可用熟悉的命令進(jìn)行各種控制，顯著加快模型創(chuàng)建進(jìn)度[4]。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以一款機(jī)載設(shè)備為例。該機(jī)載設(shè)備具有小型化、集成化和高動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)。在飛機(jī)起飛-著陸、飛行過程中，振動(dòng)、沖擊以及加速度條件十分惡劣。因此，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)件必須能滿足過程中隨機(jī)振動(dòng)、沖擊和加速度等受力條件。

機(jī)載設(shè)備在設(shè)計(jì)初期難以進(jìn)行實(shí)際飛行試驗(yàn)，所以要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析。為了滿足設(shè)備的使用要求，通過ANSYS Workbench的力學(xué)仿真模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真，并進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)、沖擊以及加速度分析來確定結(jié)構(gòu)件的受力變形情況，以達(dá)到優(yōu)化、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。其中，隨機(jī)振動(dòng)分析又稱為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[5]。本文針對(duì)天機(jī)載設(shè)備的殼體（材料為5A06防銹鋁）進(jìn)行振動(dòng)、沖擊以及加速度環(huán)境的適應(yīng)性仿真分析。

1.2 振動(dòng)條件

該設(shè)備振動(dòng)力學(xué)條件包括起飛-著陸、飛行2個(gè)任務(wù)剖面，具體參數(shù)見表1。

表1 機(jī)載設(shè)備振動(dòng)條件要求

1.3 沖擊、加速度條件

機(jī)載設(shè)備沖擊、加速度響應(yīng)譜，按照表2規(guī)定進(jìn)行仿真。

表2 機(jī)載設(shè)備的沖擊載荷

2 隨機(jī)振動(dòng)仿真

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的RandomVibration模塊進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。其中，隨機(jī)振動(dòng)分析條件見表1。由于隨機(jī)震動(dòng)中的兩個(gè)工作狀態(tài)中起飛-著陸包含飛行的工作狀態(tài)，因此選取起飛-著陸隨機(jī)振動(dòng)條件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真，得到如圖1所示的變形云圖。可以看出，殼體在隨機(jī)振動(dòng)下，最大的變形為0.097 mm，殼體結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

圖1 殼體隨機(jī)振動(dòng)變形云圖

2.1 加速度仿真

為了驗(yàn)證機(jī)載設(shè)備在加速度情況下的受力變形，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Static Structural模塊進(jìn)行加速度仿真。

以表2條件進(jìn)行加速度仿真，得到如圖2所示的加速度分析結(jié)果。可以看出，加速度條件下最大變形量為0.081 2 mm，殼體結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

圖2 加速度變形云圖

2.2 沖擊仿真

為了驗(yàn)證機(jī)載設(shè)備在沖擊情況下的受力變形，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Transient Structural模塊進(jìn)行沖擊仿真分析。

以表2條件進(jìn)行單次15g沖擊分析，得到如圖3所示的沖擊仿真結(jié)果。可以看出，在15g加速度條件下的最大變形量為向0.000 045 8 mm，殼體結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

圖3 15g沖擊變形云圖

以表2條件進(jìn)行8g/3 000次沖擊分析，得到如圖4所示的沖擊仿真結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，在沖擊條件下殼體的最大變形量為0.000 088 mm，結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

圖4 8g沖擊變形云圖

以表2條件進(jìn)行6g/7 000沖擊分析，得到如圖5所示的沖擊仿真結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，在沖擊條件下殼體結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.000 878 mm，殼體不會(huì)產(chǎn)生破壞。

圖5 6g沖擊變形云圖

3 結(jié)語

通過力學(xué)仿真結(jié)果可以看出，在多種環(huán)境下殼體的變形量在允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)殼體不會(huì)發(fā)生破壞，可以保障設(shè)備內(nèi)部的器件穩(wěn)定、安全工作。由于熱仿真模型較復(fù)雜，且仿真模型和所設(shè)定的各種邊界條件和實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定差別，因此需要與試驗(yàn)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以提高仿真的準(zhǔn)確度，互相映證進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。可見，結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真可以對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行性能、安全等方面的分析和驗(yàn)證，達(dá)到對(duì)設(shè)備指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估和評(píng)判，以找出薄弱點(diǎn)，進(jìn)而比較和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。