基于UG模态分析的船舶加固计算机减振设计*

傅 旻，张 文，唐 鑫，金丽媛

(天津科技大学机械工程学院， 天津 300222)

基于UG模态分析的船舶加固计算机减振设计*

傅 旻，张 文，唐 鑫，金丽媛

(天津科技大学机械工程学院， 天津 300222)

船舶加固计算机是船舶舱室设备中信息处理的核心硬件平台，针对其高可靠性要求以及所处恶劣环境，综合采用计算机辅助设计与分析、环境适应性设计等现代设计方法，重点针对设备振动环境，基于UG软件中的NX Nastran求解器完成加固计算机整机的模态分析，通过对模型固有频率及固有振型的进一步分析对结构进行优化，并提出金属减振器减振系统设计。

船舶加固计算机；减振设计；UG；金属减振器

引 言

船舶加固计算机是为适应恶劣海事环境而开发的具有长生命周期的高可靠性信息处理计算机。与一般商用计算机不同，船舶加固计算机在其使用过程中会受到不同形式的振动和冲击[1]。振动主要由螺旋桨等动力机械产生，同时在船舶航行过程中，复杂的海面情况会使船身摇摆、颠簸，导致位于船舶舱室内的加固计算机等设备受到不同形式的振动与冲击。对于自身抗振性能较差的设备，受到振动和冲击是不希望出现的现象，它们会造成设备损坏以及电气连接上的破坏。设备可能出现的故障有以下2种情况：1)在接近或等于设备固有频率处发生共振现象，设备因振动产生的加速度超过其所能承受的极限加速度而发生故障；2)长期处于振动环境下，即使振动引起的应力低于材料在静载荷下的强度，也可能会使箱体金属材料产生疲劳而发生设备故障。如何通过合理的减振设计来减少振动环境对加固计算机的干扰和破坏，是加固计算机环境适应性设计的关键之一。本文运用有限元方法，基于UG仿真平台对船舶加固计算机进行模态分析，基于分析结果进行减振设计，并为工程设计提供依据。

1 模态分析

1.1 仿真分析理论基础

模态分析是一种结构动态分析，尤其是振动分析的前提和基础。机械系统一般是多自由度阻尼系统。该阻尼系统如果以某个固有频率振动，机械结构上各点对外力的响应都可由固有振型、阻尼比、固有频率等参数所组成的各阶振型模态的叠加表示。根据振动理论，对于n个自由度的阻尼系统，以广义坐标x表示的运动微分方程为：

(1)

式中：x为系统各点的位移响应向量；M为广义质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为广义刚度矩阵；F为系统各点的外激励向量。

模态分析的目的是求得机械系统的固有频率和固有振型，模态分析与结构所受外载荷无关，同时，阻尼对系统固有频率的影响可忽略。因此，模态分析可以不考虑外载荷和阻尼，简化得到以下公式：

(2)

如果结构上的各点在自由振动时作简谐运动，它们的位移量可表示为：

x=φcosωt

(3)

式中：ω为圆频率；φ为振幅列向量。

由式(1)和式(2)得：

(K-ω2M)φ=0

(4)

由此可求得特征值ω和φ。然后再根据ω=2πf求得系统各阶固有频率和固有振型。

1.2 基于UG建立有限元模型

模态分析的一般步骤通常是通过UG、Solidworks等建模软件建立实体模型，再将其转换为特定格式，导入ANSYS、NASTRAN等有限元分析软件中进行分析。这种方法的弊端是针对复杂零件及装配体在不同软件间转换可能会出现失真。本文基于UG功能平台，不仅完成了船舶加固计算机整机的建模，而且可以将已建模装配体切换到高级仿真模块，利用NASTRAN解算器对其进行模态分析。大大节省了因零部件修改而重复分析的时间。

建立加固计算机的有限元模型需对其装配体模型进行简化。一般操作是：打开加固计算机装配组件，切换至高级仿真模块，在“新建的FEM和仿真”中选择求解器为“NX NASTRAN”，分析类型为“结构”，界面就自动更新为CAE模型。在所需创建的解算方案中，定义类型为SEMODES 103，即模态分析方案。为减少后续网格单元，缩短计算时间，可减小模型特征数，如小圆角及小圆孔等，得到加固计算机的理想化模型[2]。

在有限元分析中，必须赋予实体模型一定的材料参数，包括材料密度、杨氏模量、泊松比等。船舶加固计算机机箱所使用的是316不锈钢钢板，内部承载的主板及各种板卡采用PCB材料。表1为船舶加固计算机中所使用材料的性能表。

表1 加固计算机使用材料的性能

对理想化模型进行网格划分，才能得到有限元模型，网格划分的种类及其大小将直接关系到后续有限元分析的计算精度、速度。由于该加固计算机仅需计算少数低阶模态，同时为了减少计算时间，采用3D四面体网格划分该装配体模型。本文采用的单元类型是四节点四面体单元，系统根据模型组成及大小进行网格自动划分，同时可以在局部网格划分不理想的位置进行人工调整，使网格划分更准确。加固计算机的有限元网格划分模型如图1所示。

图1 有限元网格模型

施加在机箱结构的载荷需依据实际的使用环境。由于船舶加固计算机需安装到相应基面上，根据相对运动原理，在该机箱底部安装位置施加4处固定约束，从而使结构在全部自由度上位移都为0。

在施加完载荷以后，使用内置NX NASTRAN求解器及兰索士算法，可提取到所需的6阶模态和其固有振型。通过UG的后处理模块即可查看所分析的结果。其中，第1阶～第6阶的固有频率如表2所示，由表可知，其频率变化范围为192～307.8 Hz。

表2 船舶加固计算机的固有频率

船舶加固计算机机箱的前6阶模态见图2。

图2 船舶加固计算机机箱的前6阶模态振型

由UG的运算结果提取出上述各阶频率和振型，固有频率随着模态阶次的增加呈递增趋势。加固计算机的1阶振型主要表现为机箱壳体右侧沿Y轴左右摆动，在应变云图上体现为壳体右侧鼓起，相对变形量最大，局部区域呈红色(应变位移随着颜色从蓝色至红色的变化逐渐增大)。2阶振型主要表现为与1阶模态相反的机箱壳体左侧沿Y轴左右摆动。3阶振型主要表现为机箱内左侧板卡(串口卡)与右侧板卡(网卡)沿着Y轴以相反的方向摆动。4阶振型主要表现为机箱内左侧板卡与右侧板卡沿着Y轴以同一方向摆动。5阶振型主要表现为中间板卡(显卡)受到弯矩沿Y轴摆动变形。6阶振型为硬盘固定架底部沿X轴的扭转。综上可见，机箱各阶振动的主要表现形式为绕Y轴的摆动、绕X轴的扭转及局部振动。

2 减振设计

2.1 减振器选型

依据模态分析结果，加固计算机在振动环境下，最薄弱的环节在于机壳侧面的振动变形，显卡等板卡可能发生变形、移位以及硬盘所在位置的固定架变形。在结构上采取了以下优化措施：1)在机壳上侧位置增加横梁结构，有效增强机壳两个侧面的连接刚度；2)在硬盘固定架下面增加圆柱橡胶垫，在振动环境下可起到一定的缓冲作用。

经过以上结构的改动，机箱在振动环境下的抗振性能明显改善，但是样机在振动环境下仍然会出现板卡移位而造成的接触不良等现象[3]，从而影响设备正常工作。原因可归结为刚性结构不能产生足够的形变以吸收大量的应变能。因此，该机箱还需通过减振系统的设计来提高其在振动环境下的可靠性。

振动控制的方法主要有消振、减振、吸振3种，目前运用较为广泛的是减振，通过减振系统使振源传递给设备的振动得以减少或消除。在船舶等运载工具上使用的电子设备，当其与安装平台无法满足振动试验要求时，可考虑减振系统。减振按振动传递方向可分为被动减振和主动减振。被动减振不需要采用外部能源装置支持减振装置工作，结构简单且经济实用。因此，船舶加固计算机采用被动减振技术来隔离振源与设备之间的振动传递[4]。

安装减振器有利于降低设备所受到的振动或冲击激励量值。减振器的性能决定了设备在振动环境下受保护的程度，合理选用和布局减振器是需要充分考虑的问题。应用较广泛的有橡胶减振器和金属减振器。橡胶减振器一般以橡胶作为弹性材料，制造加工方便，缓冲效果好，但是易受温度、油性等环境因素影响。金属减振器内部以金属作为弹性材料，能适应不同的载荷，对环境敏感度低，可在高低温、油污等环境下工作。因此，选用金属减振器更合适。

2.2 金属减振器弹簧刚度计算

金属减振器的设计还需考虑设备实际工作环境对弹簧刚度的要求。船舶加固计算机使用过程中，受到较大的振动、冲击时，最容易受到影响而损坏的元器件是机箱内的机械硬盘。因为在硬盘工作时，内部盘片处于高速运转中，转速可达7 200 r/min，如果系统减振性能较差，振动可能造成硬盘盘片与磁头接触而导致数据丢失，甚至硬盘损坏。因此减振器弹簧刚度的设计可依据硬盘的相关参数来确定。

机箱内机械硬盘质量m=0.6 kg，它承受的最大振动加速度A=0.3g。振动系统中要求激振加速度A0=0.7g，激振频率f=30 Hz，以此确定减振器的弹簧刚度：

系统减震系数为

η=A/A0

(5)

频率比为

γ=1+1/η

(6)

激振频率为

p=2πf

(7)

固有频率为

ω=p/γ

(8)

弹簧刚度为

k=mω2=1 918.65 N/m

(9)

设备一般都是由几个金属减振器支撑的，因此上述k值表示的是几个金属减振器的弹簧刚度之和。

结合减振器弹簧刚度、设备载荷等参数选取合适的金属减振器。图3为所选某型金属减振器外形。金属减振器具有低频、大阻尼、轴径向刚度近似相等，适用于垂直轴承载，有较强的环境适应能力等特点，可用于航空、舰船或车载的各种精密仪器的减振与缓冲。

图3 金属减振器外形

该金属减振器中，圆柱簧为主承载簧，下网垫为缓冲限位金属丝网垫，阻尼由填充在里面的钢丝网垫提供，钢丝网垫在振动时可起到吸收能量的作用。

根据船舶加固计算机的结构特点和重心位置，减振器在底部安装的方式可采用几何形状对称位置安装，布置间距不宜过大。

3 振动试验及结果分析

对于结构复杂的电子设备，仅从理论上对设备中各零件的结构动态特性进行描述是不完整的。为了了解设备实际的结构动态特性，需结合振动试验来进行研究。

将装有金属减振器的船舶加固计算机样机按正常工作状态固定到振动台的支撑板上，同时样机与显示器相互连接。振动试验在样机3个相互垂直的轴线上各进行1次，在水平滑台上作X向、Y向振动，在振动台垂直台面上作Z向振动。

采用正弦振动试验对样机进行频率扫描激励，以此检测样机在各个频率分量上的激励。试验频率扫描范围需结合产品振动设计输入。表3为船舶加固计算机的设计输入，所选频率范围也是同类设备在实际使用环境下最可能引起故障或损坏的频率。

表3 振动试验参数

振动试验结束后，样机在振动过程中无受损现象。在耐久振动试验期间，样机能正常工作。图4为X、Y向水平振动响应曲线和Z向垂直振动响应曲线。

图4 X、Y、Z向振动响应曲线

图4中的响应曲线反映了系统的固有频率、共振放大倍率。试验分析结果如下：

1)船舶加固计算机使用金属减振器后，系统水平方向固有频率为32.12Hz，垂直方向固有频率为35.86 Hz，相近的固有频率使共振频率范围变窄，有利于系统避开环境干扰频率点。

2)试验中激励频率与加固计算机系统的固有频率相同时，将发生共振现象。由上述曲线可知，系统在X向的共振放大倍率为2.358，Y向为2.985，Z向为3.878，共振放大倍率较低，也体现了所选用减振器较好的阻尼比。减振系统通过隔振区域时，频率被有效衰减下来，40 Hz以上的隔振效率达到70%以上。

3)使用金属减振器后，高于25 Hz的中高频振动被有效隔离。经试验证实和分析，系统减振效果和稳定性均有进一步改善。

4 结束语

依据UG模态分析结果，直接在UG中进行船舶加固计算机整机的模态分析，得出整机的动态特性，并阐述了具体步骤及方法，保证了计算的精度，节省了模型重复修改再导入分析的计算时间。为满足产品抗振性能，提出使用金属减振器减振系统，确定了金属减振器的选型方法及刚度计算。振动试验结果表明，减振系统设计合理、性能可靠。

[1] 肖卫兵. 舰载军用加固计算机的可靠性设计[J]. 电子机械工程, 2007, 23(5): 21-23.

[2] 靖娟. 基于UG的发动机支架模态分析[J]. 江西科学, 2011, 29(1): 66-69.

[3] 徐立颖. 加固计算机板卡振动分析与设计[J]. 计算机工程与设计, 2008, 29(10): 2635-2639.

[4] 季馨, 王树荣. 电子设备振动环境适应性设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.

[5] 李运动, 孙树旺, 王璐, 等. 金属橡胶减震器在轻型光电载荷隔震设计中的应用[J]. 电光与控制, 2012, 19(6): 88-91.

傅 旻(1963-)，男，教授，主要研究方向为现代设计理论及机械CAD。

Anti-vibration Design of Shipborne Reinforced Computer Based on UG Modal Analysis

FU Min，ZHANG Wen，TANG Xin，JIN Li-yuan

(CollegeofMechanics,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300222,China)

Shipborne reinforced computer is the core of the information processing hardware platform in cabin equipment. Aiming at its high reliability requirements and bad environment, this paper adopts modern design methods such as computer aided design and analysis, environmental adaptability design. Mainly according to its vibration environment, modal analysis of the computer is completed based on NX Nastran solver in UG software. Through further analysis of the natural frequency and natural vibration mode of the model, the structure of the computer is optimized. And the vibration damping system with metal shock absorber is put forward.

shipborne reinforced computer; anti-vibration design; UG; metal isolator

2015-04-07

O328

A

1008-5300(2015)03-0007-04