基于ANSYS 仿真的某艦載監控設備故障分析與優化設計

阮翔，鄭宏軍，葉棟，吳波，肖偉

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

艦船在海上航行，由于艦船本身的振動、海浪和風的影響，運動較為復雜，此時，裝載在艦船上的監控設備會受到相關外部載荷的影響。因此，需要對監控設備的結構進行可靠性設計，保證其結構能夠滿足艦載相關振動指標。

目前監控設備的設計主要依靠經驗設計結合試驗進行反復驗證、定位故障從而進行產品優化，但是很多結構件試驗后并不會出現外部損傷，但是內部已出現裂痕、損傷，通過試驗難以判斷薄弱點并進行優化設計，且通過反復試驗周期長、成本高。針對此問題，通過ANSYS仿真技術，可對故障設備快速定位故障，然后進行優化設計，保證設備在滿足艦載振動指標的前提下，同時進行輕量化設計，最后與試驗結構進行對比驗證，保證監控設備滿足艦載振動指標。

1 某監控設備的組成

該監控設備主要由安裝支架、底座組件、方位組件、俯仰組件四部分組成。通過安裝支架與艦船進行固定使用，整體結構如圖1 所示。

圖1 某監控設備的組成示意圖

設備整機結構件主要由三種金屬材料組成，其中外殼采用鋁合金5083 為基材加工，軸承座和軸采用不銹鋼316L 加工制作，軸承材料為軸承鋼，根據廠家提供材料確認各材料相關屬性見表1。

表1 材料屬性

2 故障分析

2.1 艦載振動試驗

對該監控設備搭建振動試驗平臺，并在監控設備俯仰組件前面板上安裝加速度傳感器[1]，對試驗平臺加載艦載振動指標，試驗指標見表2，試驗時間為單方向2 h。

表2 艦載振動指標

試驗時監控設備成像出現失焦異常，加速度傳感器測得最大加速度為14.8 g；而根據機芯使用說明書要求本機芯可承受最大不失焦加速度為8 g，即設備試驗時加速度已超過機芯可承受加速度范圍，故而設備出現失焦現象。整機晃動嚴重，拆卸整機后發現結構件外部可見明顯損傷，無法直觀判斷具體結構件問題。

2.2 基于ANSYS 的故障分析

ANSYS 作為一款高端通用有限元分析軟件，可以通過仿真分析解決產品在設計中的線性/非線性強度、剛度、疲勞、振動、優化、可靠性等問題，提供一體化解決方案。通過利用有限元分析法，對結構進行有效地劃分，在穩定運動狀態下，各個節點達到動力平衡狀態[2]。針對上述監控設備試驗的故障問題，ANSYS 分析將主要以諧響應分析為主，具體包括幾何建模、接觸定義、網格劃分、模態仿真、諧響應仿真分析共5 個步驟。

2.2.1 幾何建模

監控設備要進行諧響應分析計算，網格的質量關系到模型計算的時間以及計算能否正常收斂，獲得高質量的網格需先對原始幾何模型中結構強度影響較小的部分進行簡化處理。針對零件上一些較小的無功能性結構部分進行簡化去除，例如螺紋孔、圓角、倒角等，針對一些不會影響結構強度計算結果的結構件可直接去除，例如墊片、密封圈等。簡化模型后，需要根據原模型質量對簡化后的模型增加質點，保證設備整體重量不變，同時按照表1 對各結構件添加材料屬性。

2.2.2 接觸定義

按照實際幾何結構的連接關系和位置對監控設備的有限元模型進行接觸定義。在本模型中，除軸承外其余結構連接采用剛性連接，不考慮連接的失效問題；軸承采用No Separation 連接，法向約束，切向可輕微移動。

2.2.3 網格劃分

監控設備整體輪廓尺寸較小，因此要劃分高質量的體單元網格，網格需要進行嚴格的控制。劃分網格采用中等網格劃分，劃分后通過網格質量檢查，對其中網格質量劃分較差的結構件進行修正。最終得到整個監控設備的有限元網格模型。

2.2.4 模態仿真分析

由于對監控設備的頻率響應有嚴格要求，監控設備固有頻率的高低將直接決定艦載振動指標下監控設備是否會出現共振，所以監控設備固有特性的分析是非常必要的。模態分析作為結構動力學的基礎，模態分析得到的固有振型和固有頻率是結構的固有特性，直接體現結構在動力學環境中的振動形式[3]。通過對上述模型根據實際安裝情況，在安裝支架安裝孔施加固定約束。GJB 150.16A-2009[4]是我國軍用設備進行振動試驗的主要參考和引用標準，其中A.2.3.11“第21 類-船-艦船”中，羅列了艦船設備的振動試驗振動暴露量級和試驗時間要求。由于艦載指標為（1 ～60）Hz[5]，故計算監控設備（0 ～2 000）Hz 內的固有模態，計算后提取前六階固有模態，前六階固有模態見表3，前六階振型見圖2。

表3 前六階固有頻率

圖2 前六階振型圖

通過表3 可知，監控設備在艦載振動范圍1 到60 Hz內存在多個共振點。

2.2.5 諧響應仿真分析

根據實際試驗狀態，對模型安裝支架底部施加艦載振動載荷，軟件中載荷均轉化為加速度載荷；即1 Hz 時加速度0.04 m/s2，16Hz 時加速度10 m/s2，60 Hz 時加速度10 m/s2。根據電子設備相關要求，設定阻尼系數為0.025。計算后得到整機三個坐標方向應力云圖，見圖3；提取整機三個坐標方向俯仰組件前面板加速度云圖，見圖4；提取各方向最大應力值及加速度，見表4。

表4 三方向最大應力及加速度值

圖3 整機最大應力云圖

圖4 俯仰組件前面板最大加速度云圖

從圖中可以看出，俯仰組件前面最大加速度仿真計算值與試驗采集結果14.8 g 一致，仿真計算結果可靠。整機在 X 向受應力最大，提取各類型結構件計算結果，應力云圖見圖5，最大應力值見表5。

表5 各材料最大應力值

圖5 各材料最大應力云圖

2.3 故障分析結論

通過上述仿真結果對比表1 各材料屬性可知，當監控設備受到艦載振動之后，外殼受到應力最大為113 Mpa，雖然未達到鋁合金5083 屈服極限，但是安全系數只有1.4，存在一定的危險性；軸承座和軸受到最大應力為503.6 Mpa 已經超過不銹鋼316 的屈服極限，發生不可逆塑性形變；軸承受到最大應力為113.5 Mpa，屬于安全范圍。

因此，在受到連續6 h 三個方向艦載振動試驗下，監控設備由于累計應力和變形加劇了材料本身的損傷，從而導致整機外殼強度下降，以及軸承座和軸的塑性變形，從而整機出現嚴重晃動，機芯受到的加速度超過機芯所能承受的最大承載值，從而影響了監控設備的成像質量。

3 基于ANSYS 的優化設計

通過上述仿真分析可知，要使監控設備滿足艦載振動指標，需要增強外殼、軸承座和軸的抗振動能力或者降低整機的振動能量影響。

一般情況下，增強結構抗振動能力主要通過增加應力集中位置的強度，具體操作分兩種，一種是改變結構件材料，采用更高強度的材料，但是需要對材料等進行多項評估，成本太高。另一種是改變結構形式，增加應力集中點的壁厚、加增加強筋等，同時為了不改變整機重量，可以降低非應力集中點的厚度，實現整機重量不增加的情況下，讓整機結構強度增加。

降低整機的振動能量影響，可以改變支架的長度，縮短支撐臂，增大整機的一階固有模態，避免在艦載振動指標范圍內出現共振問題，從而降底能量的放大；同時需要保證支撐臂處線纜轉彎的最小半徑，保證線纜的正常插拔。

采用同樣的ANSYS 仿真步驟，通過上述改進方法多次改進設計，得到整機最終狀態。提取最終改進后整機仿真結果，一階固有頻率云圖，俯仰組件前面板加速度云圖、X 軸最大應力云圖，見圖6 ～8，提取計算結果與改進前對比，見表6 所示。

表6 仿真結果對比

圖6 一階固有模態

圖7 俯仰組件前面加速度云圖

圖8 各材料最大應力云圖

可以得出，整機的改進后，整機一階模態已經大于60 Hz，在艦載振動指標內60 Hz 內不會出現共振現象；加速度低于機芯8 g 要求，相機不會出現失焦問題；所有結構件安全系數均大于2，不會出現結構件損傷問題；理論上已經完全不影響監控設備的使用功能。

4 試驗驗證及結論

將改進優化設計的新監控設備，采用相同試驗平臺，進行艦載振動試驗；試驗結果顯示新監控設備無失焦問題，成像清晰，整機基本無晃動，加速度傳感器采集到加速度為4.9 g 小于機芯可承受最大加速度8 g；設備通過艦載振動試驗。即通過ANSYS 仿真應用可快速定位設備故障位置，從而進行設備優化設計，解決了傳統試驗檢驗方法的不確定性，降低了試驗的時間和資金成本，并較大提升了設備的可靠性。