結(jié)構(gòu)隨機振動仿真分析n

1、 結(jié)構(gòu)隨機振動仿真分析李如忠四川省綿陽市919信箱515分箱 摘要 利用Ansys有限元分析軟件對某一安裝架結(jié)構(gòu)進行了動力學(xué)仿真分析，首先進行了模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上進行了隨機振動的PSD (Power Spectral Density)分析，通過分析，提出了結(jié)構(gòu)的改進方案。說明了在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，對結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)仿真分析，可以預(yù)測產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，尋求最優(yōu)化的設(shè)計方案，并縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。關(guān)鍵詞 有限元分析 隨機振動 譜分析 PSDRandom vibration analysis of structureLi Ru-zhongP.O.Box 919-515, Mianyan

2、g, Sichuan ,CHINAAbstractThe dynamic simulation of a bracket structure is done via Ansys, a FEA(Finite Element Analysis) software program. First, the modal analysis is done, then the PSD(Power Spectral Density) analysis of random vibration is studied. The improved design is presented. The dynamic si

3、mulation plays an important role in product design cycle. It is helpful not only in seeking optimum solution for product, but also efficient in shortening the research cycle, reducing cost.Keywords FEA, random vibration, spectrum analysis, PSD1 前言在電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計生產(chǎn)完成后，一般都要進行產(chǎn)品的隨機振動試驗，以檢驗其環(huán)境適應(yīng)性。如果在產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，

4、不能滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，則需要重新設(shè)計重新生產(chǎn)，會造成大量的人力物力的浪費。本文利用Ansys仿真分析軟件，在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段進行隨機振動仿真分析，尋找出設(shè)計中的重要缺陷，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，提高產(chǎn)品的可靠性，這樣就避免了生產(chǎn)的浪費，并縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本。Ansys有限元分析軟件是一個功能強大的分析軟件，能對復(fù)雜模型進行各種力學(xué)分析，并支持與其它三維軟件的接口，在三維軟件中建立的模型能直接輸入到Ansys中進行分析。本文就是利用Pro/E三維設(shè)計軟件進行建模，然后輸入到Ansys中，首先進行模態(tài)分析，確定安裝架結(jié)構(gòu)的固有頻率，再在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進行隨機振動分析，隨機振動分析采用功

5、率譜密度（PSD）響應(yīng)分析。2 建立分析模型2.1 模型簡化和導(dǎo)入安裝架結(jié)構(gòu)的模型，是根據(jù)實際的設(shè)計尺寸，在Pro/E軟件中建立的三維實體模型，如圖1所示。在做有限元分析時，為了減少分析的運算量和分析的可行性，必須對模型進行簡化，根據(jù)經(jīng)驗，如一些對分析結(jié)果影響很小的倒角、孔可以簡化去掉。在Ansys軟件中用輸入命令把經(jīng)過簡化后的三維實體模型導(dǎo)入Ansys中，形成Ansys的三維模型。在三維模型中的有的地方是采用螺釘連接，但連接處螺釘間距較密，在通常試驗條件下，可以認(rèn)為連接面不發(fā)生相對滑移，所以為了簡化分析把這些面粘接在一起。圖1 安裝架結(jié)構(gòu)三維實體模型 2.2 設(shè)置單元類型和材料參數(shù)在安裝架結(jié)

6、構(gòu)模型中主要由三維實體組成，全部采用SOLID45單元，支架材料為硬鋁（LY12），方盒材料根據(jù)相對密度，為自定義材料，各材料的力學(xué)性能見表1。圖2 表1 材料特性材料密度(kg/m3)彈性模量(MPa)泊松比硬鋁（LY12）2800710000.31自定義材料240710000.312.3 劃分網(wǎng)格利用Ansys的網(wǎng)格劃分工具對模型的各個部分分別劃分網(wǎng)格，共劃分了13727個單元。劃分后的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。 圖3 安裝架結(jié)構(gòu)有限元模型3 設(shè)置邊界條件安裝架結(jié)構(gòu)在使用和環(huán)境試驗中，采用四個螺栓通過端頭的孔與基體固定，所以在模型中把支架與基體連接處固定三個方向的自由度。4 模態(tài)分析利用A

7、nsys的模態(tài)分析模塊對模型進行了模態(tài)分析，擴展了模型的五階模態(tài)，其自振頻率見表2。圖4 表2 模型的前五階模態(tài)自振頻率模態(tài)12345自振頻率(Hz)67.336103.39185.34597.92613.655 隨機振動分析隨機振動分析采用Ansys中譜分析的PSD分析功能，隨機振動是以概率理論為基礎(chǔ)，分析的輸入輸出都是具有隨機概率特性。它的原理是首先計算模型的每階模態(tài)響應(yīng)統(tǒng)計，再對它們進行綜合，并假設(shè)隨機振動過程為平穩(wěn)隨機過程。PSD是一個結(jié)構(gòu)在隨機載荷激勵的響應(yīng)的統(tǒng)計值，它一般是一個PSD值和對應(yīng)頻率的曲線，PSD可以是位移PSD、速度PSD、加速度PSD或力PSD。在該仿真中我們采用了

8、和真實的隨機振動試驗一樣的加速度譜，加速度譜的曲線如圖3所示，50Hz1000Hz的PSD值為0.13g2/Hz，10Hz50Hz的上升斜率為3dB/oct，1000Hz2000Hz以6dB/oct的斜率下降。利用Ansys對模型三個方向的振動分別進行了分析。圖46分別顯示了三個方向隨機振動分析的1-應(yīng)力云圖。圖79分別顯示了三個方向隨機振動分析的變形圖。圖5 加速度響應(yīng)譜曲線 圖4 X方向振動1-應(yīng)力云圖 圖5 Y方向振動1-應(yīng)力云圖 圖6 Z方向振動1-應(yīng)力云圖 圖7 X方向振動變形圖 圖8 Y方向振動變形圖 圖9 Z方向振動變形圖6 結(jié)果分析從隨機振動分析的結(jié)果中可以看出，隨機振動中的X

9、方向振動的最大1-應(yīng)力為1.47354MPa，最大1-位移為1.68510-3mm；Y方向振動的最大1-應(yīng)力為2.19081MPa，最大1-位移為2.07510-3mm；Z方向振動的最大1-應(yīng)力為2.5012MPa ，最大1-位移為3.18210-3mm。三個方向中最大的3-應(yīng)力為7.5036MPa，也就是說隨機振動中材料所受的最大應(yīng)力大于7.5036MPa的概率為0.3%，遠(yuǎn)低于材料的屈服極限。而最大應(yīng)力主要是集中在支架的拐角處，因為在拐角處產(chǎn)生了應(yīng)力集中。為了減少應(yīng)力集中，建議把支架拐角處的圓角半徑加大，這樣既減少了應(yīng)力集中，又增加了安裝時的連接強度。同時還可以把應(yīng)力小的地方減小設(shè)計尺寸，提高材料的利用率。 7 結(jié)論通過對安裝架結(jié)構(gòu)模型的有限元分析，特別是隨機振動分析，說明建立的三維模型是可行的，并根據(jù)分析結(jié)果提出了更好的改進方案。同時，可以看出利用Ansys能對產(chǎn)品的設(shè)計前期階段進行分析，有助于取得優(yōu)化的解決方案。但是，在用Ansys進行分析時存在很多簡化，并且實際的產(chǎn)品在生產(chǎn)中存在生產(chǎn)公差，產(chǎn)品的材料存在不確定性，所以，利用Ansys的分析結(jié)果只能作為設(shè)計的參考，減少實際隨機振動試驗產(chǎn)品失效的概率，不能代替實際的隨機振動