基于ANSYS Workbench某机载电子机箱的振动过程数值模拟研究

樊利芳 梁晓颖 杨华龙

（1.中原科技学院 机电工程学院，郑州 450046；2.大连理工大学重大装备设计与制造郑州研究院，郑州 450000）

电子设备在运输、贮存和使用过程中不可避免要受到各种机振动、冲击、碰撞及运动摩擦等作用力，而振动和冲击往往会给设备整机或电子元器件的性能产生巨大危害。若结构设计不当，会使设备本身或内部元器件受到严重损害甚至失效。

电子设备的破坏一般有两种方式。第一，外界激励的频率接近设备的固有频率，使其产生共振。设备的振幅越来越大，最后将由于振动或冲击的加速度超过设备结构设计的极限值导致自身破坏。第二，设备所受振动和冲击的作用虽然没有超过其自身强度值，但是在长期的振动和冲击载荷作用下设备会产生疲劳破坏[1]。机载设备工作环境通常较为恶劣，为保证其工作的可靠性，在设计阶段进行振动和冲击的数值计算分析极为重要。

1 模态分析

模态是结构系统的固有振动特性，是产品本身的特性，与外部载荷无关。模态分析主要用于确定结构的固有频率和振型，是进行动力学分析的基础[2]。机载设备的动态特性决定了其承受动载荷时正常工作的能力。在结构动态分析中，各阶模态所具有的权因子大小与该模态频率的倒数成反比，即频率越低，权重越大。低阶模态特性基本决定了产品的动态性能。

1.1 模型建立

电子机箱的结构中存在较多的倒圆、倒角及小孔等微小特征。这些部位通常存在截面突变等因素影响网格划分，导致消耗计算资源或产生应力突变[3]。因此，需对三维模型进行合理简化，如图1所示，忽略结构中的次要细节，去掉非承载件、附属元件和修饰件等[4]。

图1 模型简化及网格划分

利用ANSYS Workbench与Pro/E等三维数模直接导入模型进入Modal模块，机箱及模块采用solid185模型对模型进行网格划分。根据机箱使用时的安装固定方式，对左右两侧螺钉孔进行全约束，对安装面进行竖向约束，材料参数如表1所示。

表1 铝合金2A12材料性能参数

1.2 计算结果

根据需要对机载机箱进行前20阶模态振型计算，频率如图2所示。

图2 机箱前20阶模态及振型

机箱在0～500 Hz内包含了6阶固有频率。一般认为，低阶模态对产品振动影响最大。对机箱提取前6阶模态振型，结果如图3所示。

图3 机箱前6阶模态振型图

分析模态振型图可知，机箱下面板和前面板易发生翘曲变形，是机箱设计中的薄弱环节，因此应对其采取加固措施进行减震，防止产生疲劳破坏。

2 振动分析

在电子设备中，振动的影响主要表现在3个方面。第一，结构性能的影响。若长期存在高强度振动，极易对结构产生疲劳破坏，且这种破坏是不可逆的。第二，工作性能影响。长期振动易使构建之间出现接触不良元器件和指示灯等工作性能不稳定等情况。第三，工艺性能的影响。振动导致紧固件松动、焊点开裂等，影响产品可靠性[3]。由此可见，机载电子设备结构失效的诸多因素中振动是主要因素之一。

为考核机载电子设备的工作适应性，可在随机振动环境中进行分析。

2.1 边界条件谱分析转化

本文中设备为直升机舱内电子机箱，环境适用性满足《军用设备环境试验方法振动试验》（GJB150.16A—2009）中图C.10，其振动谱如图4所示。

图4 直升机SOR型振动谱

图4中，f1～f4为4阶正弦定频，A1～A4为对应的正弦峰值加速度，f1=9.73 Hz，A1=1.26g，满足关系f2=2f1、f3=3f1、f4=4f1，W0和W1是宽带背景噪声的功率谱密度值。

根据GJB150.16A—2009中表C.4直升机振动环境，计算对应频率的加速度峰值，结果如表3所示。

表3 频率-加速度峰值

图4中，SOR型振动谱线包含了正弦定频振动和随机振动两种方式。正弦定频振动属于谐响应范畴，宽带随机振动属于随机振动范畴，目前尚没有软件能够处理这种混合模式的模块。谱线无法作为边界条件同时施加在有限元模型上，因此需要对其进行等效转化。图4谱线中随机分量是主要振动量值，按照能量相等的原则，将正弦定频振动转化为窄带随机振动分量，振动谱型则转化为窄带加宽带的随机振动，转化公式如下[5-7]：

式中：Gq(B)为正弦振动等效窄带随机振动的自功率谱密度；B为等效窄带带宽，可取B=4；A(fn)为正弦振动的峰值；Q(fn)为品质因素；fn为需要等效转换的正弦振动频率；β为等效因子，在上述转换条件下可取β=1.8。

通过计算得到各主要频率点的功率谱密度值，将其转化为等效随机振动谱线，如图5所示。

图5 转化后的等效随机振动谱

2.2 计算结果

在模态分析的基础上对机箱进行振动分析，对模型X、Y、Z向施加如图5所示的振动谱密度曲线作为外界激励。对机箱两侧边安装面螺钉孔进行全约束，安装面约束竖向位移。

经对机箱X、Y、Z这3个方向进行计算发现，机箱最大变形发生在Y方向，变形量为0.12 mm，发生在机箱前面板中部，发生率为99.73%，如图6所示。X和Y方向变形量较小，分别发生在内部安装模块表面和机箱底部面板。

图6 机箱在振动条件下计算结果

机箱最大Mises应力为54 MPa，发生率为99.73%，发生在安装架前安装孔处。机箱两侧安装孔周边应力分布较大，但由于模块安装靠近机箱前面板，质量分布不均，导致前侧安装孔受力较大，即前侧安装孔处是易发生疲劳破坏的部位。由于最大应力远低于所用铝合金材料的屈服强度，因此在耐久振动条件下不会发生破坏，结构设计满足使用要求。

3 结论

（1）模态分析是动力学分析的基础，低阶模态更能表征产品的振型形态，其中前6阶振型体现出机箱下面板及前面板为易产生变形的薄弱部位。

（2）在典型直升机SOR型振动谱线作用下，需先将激励等效转化为窄带加宽带的振动谱，便于作为计算边界条件直接应用于仿真软件。

（3）通过对机载电子机箱进行模态和振动分析，可得到机箱在0～500 Hz范围内有6个固有频率存在发生共振的风险。但经计算，机箱在该范围内振动的最大应力为54 MPa，远低于铝合金2A12材料的屈服极限，结构设计能够满足设备耐久振动要求。