基于ANSYS Workbench的航空电子机箱模态分析

□于涛 □张海燕 □温龙

山东科技大学机械电子工程学院 山东青岛 266510

随着电子工业的迅速发展，电子设备已经广泛应用于各个行业，并创造了越来越大的经济效益和社会效益。航空电子机箱是安装和保护各种电路单元、元器件及机械零部件的重要电子设备，其结构的机械性能将直接影响电信号的传输以及电子系统的可靠性。然而，机箱在运输、使用过程中不可避免地会受到各种形式机械力的作用，特别是振动和冲击会给电子设备带来巨大的危害。因此在机箱的设计过程中，为了提高机载电子设备的可靠性，应用有限元仿真技术对机箱抗振动冲击的能力进行分析是很有必要的。通过机载机箱的模态分析，获得其固有频率，从而可以帮助设计人员有效地避开结构的共振频率。

1 航空电子机箱结构模型

机箱结构主要由组件1～组件10共10个模块、一个机箱和一块背板组成，10个模块由楔形锁紧机构和螺钉固定在机箱内，机箱主要由箱体、前盖板、后盖板及风扇组成。箱体由焊接而成，前后盖板用螺栓与之连接。前盖板底部用两个前锁紧机构与安装架固定，后盖板底部用两根销轴与安装架连接。另外，考虑到计算经济性的要求，若使用实际机箱结构进行有限元分析是非常困难的，这就需要对实际模型进行适当的简化，需要删除掉模型的细小几何特征和不必要的冗余几何特征（如图1所示）。

2 有限元模型的模态分析

2.1 模型的网格划分

▲图1 机载机箱的整体外形结构示意图

▲图2 机载机箱整体网格划分图

机箱模型的网格划分主要采用网格细化方法，经过分析最终确定了一个模态数饱和的有限元模型，它有164 375个单元、749 494个节点。整个模型的网格主要采用人工控制划分，以确保网格划分的有效性和合理性，从而提高计算精度。在此过程中主要采用的控制划分方法有5种：（1）六面体核心网格划分；（2）尺寸控制网格划分；（3）扫掠网格划分；（4）分块网格划分；（5）局部网格细化。箱体和安装架采用了体单元尺寸控制和六面体核心划分的方法，支耳采用分块网格划分和扫掠网格划分的方法，元器件引脚处采用了局部网格细化。网格划分结果如图2所示。

2.2 机载机箱模态分析环境设置和模型的接触设置

机载机箱在进行模态分析时，机箱模型所施加的约束为：机载机箱安装架底部4个凸台及凸台上的螺栓孔采用全约束。在有限元前处理过程中，模型的装配连接问题是一个非常重要的环节，装配模型中各个部件之间的接触关系将直接影响到有限元分析的结果。在机箱结构中，为了等效实际的约束情况，本次仿真分析主要设定有绑定接触和不分离接触。

绑定接触是指两个部件之间面面接触、线线接触、线面接触，不会发生法向的互相分离和切向的相对滑动，可将它们看作粘合的一体。在分析过程中，接触之间的渗透将被忽略。箱体前盖板和左侧板之间、组件盖板和箱体上盖板之间为绑定接触。

不分离接触类似于绑定接触，但其只应用于面面接触，它不允许面面之间发生法向分离，但允许接触面在切向上无摩擦滑动。箱体侧板与安装架之间、销轴和销套之间为不分离接触。

2.3 分析结果

对模型进行模态分析，获得模态分析结果，计算出2 000 Hz内结构所有的固有频率，其频率阶数如图3所示。

由上面列表可看出，机箱结构在2 000 Hz内包含36阶固有频率。现提取前6阶、第9阶及第29阶的固有频率，相应的各阶振型如图4～图11所示。

从表1中可以看出，结构的薄弱部分为安装架背板，这是因为背板沿Y方向的跨度比较大且背板本身较薄，故其刚度较小，易于诱发较大幅度振动。另外，由图中数据可知第3阶频率（箱体的第1阶固有频率）为433.66 Hz，第9阶频率（组件的第1阶固有频率）为886.32 Hz，第29阶频率（PCB板的第1阶固有频率）为1 777.8 Hz，整个结构从整机级到组件级再到板级满足倍频法则。

表1 机载机箱所提取的8个固有频率

▲图3 频率列表

▲图4 第1阶模态振型图

▲图5 第2阶模态振型图

▲图6 第3阶模态振型图

▲图7 第4阶模态振型图

▲图8 第5阶模态振型图

▲图9 第6阶模态振型图

▲图10 第9阶模态振型图

▲图11 第29阶模态振型图

3 结束语

本文利用ANSYS Workbench有限元软件对航空电子机箱进行了模态分析，通过分析得出航空电子机箱的固有频率和模态振型，不仅可以为后期进行瞬态动力学分析、谐响应分析以及随机振动分析等提供重要的模态参数，还可以为机载机箱结构的动态特性和机箱故障的诊断和预报奠定基础，并且通过系统载荷的识别，对机箱的结构进行优化设计。

［1］孟玥然,李传日,李当当.基于实验模态分析的航空电子机箱振动特性研究［J］.强度与环境，2010（10）：34-39.

［2］张敬东,刘泓滨.基于ANSYS的航空电子设备安装架模态分析［J］.西华大学学报（自然科学版），2012（3）：54-57.

［3］陈施能.某型航空电子设备及安装架动力学分析［D］.成都：电子科技大学，2008.

［4］吕福庭.机载机箱结构分析与仿真技术研究［D］.成都：电子科技大学，2011.