某碳纤维显控台结构动力学仿真分析及优化*

孙 帆

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某碳纤维显控台结构动力学仿真分析及优化*

孙 帆

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

机载电子设备需具有足够的刚强度才能满足环境使用要求，而碳纤维材料的结构设计以往大多通过样件试验来进行验证。文中运用ANSYS软件对某机载碳纤维显控台进行了模态分析，依据分析结果对显控台结构进行了优化，再通过加载真实使用环境下的振动条件对显控台进行了谐响应分析,并对优化前后的谐响应分析结果进行了对比。经验证，优化结果满足环境要求。这可为同类产品的设计提供参考。

碳纤维显控台；结构动力学；有限元仿真

引 言

机载显控台是安装在飞机上的由操作人员进行操作和使用的电子设备[1]，它必须具备足够的强度和刚度以适应机载环境对显控台的需求，确保其优良的观察、操控性能和安全、有效的工作。碳纤维作为机载显控台的主体材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀疲劳性能好、可设计性强等一系列独特的优点，在航空领域得到了广泛应用。但碳纤维制件结构精细，研制成本高，工艺复杂，周期长，若以传统方法进行研制，则费时、费力、费钱，而且难以得到准确而系统的科学结论[2]，因此采用CAE 等现代化辅助分析技术是必不可少的[3]。

文中应用有限元仿真分析软件ANSYS对某机载碳纤维显控台实施了动力学仿真分析，模拟真实环境下材料承载受力的过程，通过仿真—优化—再仿真的过程验证该显控台的结构设计是否满足机载环境的刚强度要求，为后续的详细工程设计提供了理论依据。

1 显控台有限元分析

显控台主要由台体、台面、台上结构3部分构成，台体为基本承载件，台面作为主要操作面用于安装键盘轨迹球，台上结构主要包括显示器等各类仪器。显控台通过底部4个点固定在机舱内，其设计模型如图1所示。

图1 显控台设计模型

机载环境条件振动谱含有由航速、气流等变化导致的随机分量及由螺旋桨共振引起的周期分量，具体振动谱如图2所示，其中F1= 21.2 Hz，F2= 2F1=42.4 Hz，F3= 3F1= 63.6 Hz ，F4= 4F= 84.8 Hz。

图2 机载环境振动谱

1.1有限元模型

由于显控台结构复杂，如在ANSYS中建模则工作量巨大，因此采用Pro/Engineer三维建模软件进行建模，将建好的模型直接在ANSYS中打开，既保证了模型的完整性与准确性，又大大提高了建模的效率。

在ANSYS中对模型进行简化和相应的参数设置，并进行网格划分，如图3所示。为了便于计算，将安装在显控台上的设备简化为均质载荷板。

图3 显控台有限元模型

1.2模态分析

模态分析主要对显控台前40阶模态进行了计算。相应的振型如图4所示，表1中列出了从第9阶开始对振动起主要作用的20阶模态的固有频率。

图4 振型图

1.3分析及优化

从整体模态可以看出，在100 Hz内的模态有23 阶，这些分布密集的模态对正弦激励不利，对随机激励响应更为敏感。与正弦激励频率21.2 Hz、42.4 Hz、63.6 Hz、84.8 Hz 相比，有几阶模态与激励频率相同或相近，对上下、前后和左右3个方向的激励响应都较为敏感，这将对显控台的振动极为不利。模态振型分析发现，其主要原因是显控台下侧板的上下方向的刚度以及键盘固定支架的弯曲和扭转刚度不足。如图4所示，有几阶对整体振动影响比较大，它们也进一步反映了上述显控台的刚度不足问题。

根据以上结果分析，拟采取以下措施对结构设计进行优化：

1)在显控台下部加若干个上下的加强筋，以提高显控台的整体刚度；

2)增加显控台主体键盘固定支架的宽度，以提高其弯曲和扭转刚度；

3)去除显控台键盘架的下隔板；

4)在显控台内加若干个加强筋，以进一步提高显控台的整体刚度。

2 谐响应分析及优化验证

为了进一步验证优化后的显控台结构动态特性，按照环境条件下的振动条件分别对优化前后的显控台进行谐响应分析，并对比优化前后的仿真结果，分析结构优化对显控台结构动态特性的改善。在谐响应分析中施加的载荷为上下方向，目的是对比在正弦载荷作用下新老模型的响应大小。具体做法为：在给定的4个显控台固定安装点上加载，进行谐响应分析，读出在正弦载荷作用下3个测量点的位移谱，然后对比优化前后的仿真结果。考虑到计算模型与实际模型存在一定的差异，通过比较谐响应图，确定在4个频率载荷下响应的稳定性。约束形式为通过显控台底部的4个固定螺栓固定。图5为优化前显控台的响应图，图6为优化后的显控台响应图，3个测量点优化前后的正弦响应结果见表2。

图5 优化前响应图

图6 优化后响应图

表2 正弦响应结果对比

比较谐响应结果可以发现：在21.2 Hz和84.8 Hz频率下优化后显控台的响应下降较大，在42.4 Hz和63.6 Hz频率下优化后的响应与优化前相当，优化后在这4个频率处的响应稳定性较好，显控台的刚度有了明显改善，达到了优化的目的。

3 结束语

本文通过对显控台的模态分析，得出了显控台整体的动力学性能，并针对其相对薄弱环节进行了优化设计。谐响应分析表明：改进后的显控台结构有了较大的改善，可满足环境设计要求。该结构动力学仿真分析为后续相应环境试验积累了理论数据，并可有效替代传统复合材料结构设计中使用样机验证设计合理性的过程，提高了设计质量，缩短了研制周期。以上分析方法也可供同类设备结构动力学仿真分析及优化参考。

[1] 魏强. 机载显控台抗振动仿真分析[J]. 电子机械工程, 2012, 28(4): 60-61, 64.

[2] 廖英强，苏建河，柯善良. ANSYS在复合材料仿真分析中的应用[J]. 玻璃纤维, 2006(4): 21-25.

[3] 张洪武，关振群. 有限元分析与CAE技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

孙 帆(1982-)，男，工程师，主要从事雷达结构设计工作。

StructureDynamicsSimulationAnalysisandOptimizationforaCarbonFiberConsole

SUNFan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The airborne electronic equipment is required to have enough stiffness and intensity to meet the environmental requirements. And most of the carbon fiber structure design was verified by sample test in the past. In this paper the modal analysis for the airborne carbon fiber console is carried out first by the ANSYS software and then the console structure is optimized on the basis of the analysis result. After that the harmonic response analysis for the console is made by loading the vibration conditions in the real environment. Finally the harmonic response analysis results before and after optimization are compared and the optimization result is verified. The result shows that the optimization result meets the environmental requirements. It can be used as reference for design of the same kind of products.

carbon fiber console; structure dynamics; finite element simulation

2015-03-26

TN873

：A

：1008-5300(2015)04-0057-03