结构随机振动仿真分析n.doc

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结构随机振动仿真分析

李如忠

四川省绵阳市919信箱515分箱621900

摘要利用Ansys有限元分析软件对某一安装架结构进行了动力学仿真分析，首先进行了模态分析，在此基础上进行了随机振动的PSD（PowerSpectralDensity）分析，通过分析，提出了结构的改进方案。

说明了在产品的设计过程中，对结构进行动力学仿真分析，可以预测产品的环境适应性，寻求最优化的设计方案，并缩短产品的开发周期，降低开发成本。

关键词有限元分析随机振动谱分析PSD

Randomvibrationanalysisofstructure

LiRu-zhong

P.O.Box919-515,Mianyang,Sichuan621900,CHINA

Abstract

ThedynamicsimulationofabracketstructureisdoneviaAnsys,aFEA（FiniteElementAnalysis）softwareprogram.First,themodalanalysisisdone,thenthePSD（PowerSpectralDensity）analysisofrandomvibrationisstudied.Theimproveddesignispresented.Thedynamicsimulationplaysanimportantroleinproductdesigncycle.Itishelpfulnotonlyinseekingoptimumsolutionforproduct,butalsoefficientinshorteningtheresearchcycle,reducingcost.

KeywordsFEA,randomvibration,spectrumanalysis,PSD

1　前言

在电子产品的结构设计生产完成后，一般都要进行产品的随机振动试验，以检验其环境适应性。

如果在产品生产完成后，不能满足环境适应性要求，则需要重新设计重新生产，会造成大量的人力物力的浪费。

本文利用Ansys仿真分析软件，在产品的概念设计阶段进行随机振动仿真分析，寻找出设计中的重要缺陷，对结构设计进行优化，提高产品的可靠性，这样就避免了生产的浪费，并缩短了产品开发周期，降低成本。

Ansys有限元分析软件是一个功能强大的分析软件，能对复杂模型进行各种力学分析，并支持与其它三维软件的接口，在三维软件中建立的模型能直接输入到Ansys中进行分析。

本文就是利用Pro/E三维设计软件进行建模，然后输入到Ansys中，首先进行模态分析，确定安装架结构的固有频率，再在模态分析的基础上进行随机振动分析，随机振动分析采用功率谱密度（PSD）响应分析。

2　建立分析模型

2.1　模型简化和导入

安装架结构的模型，是根据实际的设计尺寸，在Pro/E软件中建立的三维实体模型，如图1所示。

在做有限元分析时，为了减少分析的运算量和分析的可行性，必须对模型进行简化，根据经验，如一些对分析结果影响很小的倒角、孔可以简化去掉。

在Ansys软件中用输入命令把经过简化后的三维实体模型导入Ansys中，形成Ansys的三维模型。

在三维模型中的有的地方是采用螺钉连接，但连接处螺钉间距较密，在通常试验条件下，可以认为连接面不发生相对滑移，所以为了简化分析把这些面粘接在一起。

图1　安装架结构三维实体模型

2.2　设置单元类型和材料参数

在安装架结构模型中主要由三维实体组成，全部采用SOLID45单元，支架材料为硬铝（LY12），方盒材料根据相对密度，为自定义材料，各材料的力学性能见表1。

表1材料特性

材料

密度（kg/m3）

弹性模量（MPa）

泊松比

硬铝（LY12）

2800

71000

0.31

自定义材料

240

71000

0.31

2.3　划分网格

利用Ansys的网格划分工具对模型的各个部分分别划分网格，共划分了13727个单元。

划分后的有限元网格模型如图2所示。

图2　安装架结构有限元模型

3　设置边界条件

安装架结构在使用和环境试验中，采用四个螺栓通过端头的孔与基体固定，所以在模型中把支架与基体连接处固定三个方向的自由度。

4　模态分析

利用Ansys的模态分析模块对模型进行了模态分析，扩展了模型的五阶模态，其自振频率见表2。

表2模型的前五阶模态自振频率

模态

1

2

3

4

5

自振频率（Hz）

67.336

103.39

185.34

597.92

613.65

5　随机振动分析

随机振动分析采用Ansys中谱分析的PSD分析功能，随机振动是以概率理论为基础，分析的输入输出都是具有随机概率特性。

它的原理是首先计算模型的每阶模态响应统计，再对它们进行综合，并假设随机振动过程为平稳随机过程。

PSD是一个结构在随机载荷激励的响应的统计值，它一般是一个PSD值和对应频率的曲线，PSD可以是位移PSD、速度PSD、加速度PSD或力PSD。

在该仿真中我们采用了和真实的随机振动试验一样的加速度谱，加速度谱的曲线如图3所示，50Hz～1000Hz的PSD值为0.13g2/Hz，10Hz～50Hz的上升斜率为＋3dB/oct，1000Hz～2000Hz以－6dB/oct的斜率下降。

利用Ansys对模型三个方向的振动分别进行了分析。

图4～6分别显示了三个方向随机振动分析的1-σ应力云图。

图7～9分别显示了三个方向随机振动分析的变形图。

图3　加速度响应谱曲线

图4X方向振动1-σ应力云图图5Y方向振动1-σ应力云图

图6Z方向振动1-σ应力云图图7X方向振动变形图

图8Y方向振动变形图图9Z方向振动变形图

6　结果分析

从随机振动分析的结果中可以看出，随机振动中的X方向振动的最大1-σ应力为1.47354MPa，最大1-σ位移为1.685×10-3mm；Y方向振动的最大1-σ应力为2.19081MPa，最大1-σ位移为2.075×10-3mm；Z方向振动的最大1-σ应力为2.5012MPa，最大1-σ位移为3.182×10-3mm。

三个方向中最大的3-σ应力为7.5036MPa，也就是说随机振动中材料所受的最大应力大于7.5036MPa的概率为0.3%，远低于材料的屈服极限。

而最大应力主要是集中在支架的拐角处，因为在拐角处产生了应力集中。

为了减少应力集中，建议把支架拐角处的圆角半径加大，这样既减少了应力集中，又增加了安装时的连接强度。

同时还可以把应力小的地方减小设计尺寸，提高材料的利用率。

7　结论

通过对安装架结构模型的有限元分析，特别是随机振动分析，说明建立的三维模型是可行的，并根据分析结果提出了更好的改进方案。

同时，可以看出利用Ansys能对产品的设计前期阶段进行分析，有助于取得优化的解决方案。

但是，在用Ansys进行分析时存在很多简化，并且实际的产品在生产中存在生产公差，产品的材料存在不确定性，所以，利用Ansys的分析结果只能作为设计的参考，减少实际随机振动试验产品失效的概率，不能代替实际的随机振动试验。

参考文献

[1]HowtoDoaRandomvibration（PSD）Analysis.AnsysHelp

[2]胡志强等编著.随机振动试验应用技术[M].中国计量出版社，1996.12.

[3]杨宇军.ANSYS动力学仿真技术在航天计算机机箱结构设计中的应用[J].电子机械工程，2003（5）:

42~47

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