結構隨機振動仿真分析

2017-07-12 by:CAE仿真在線來源:互聯網

利用Ansys有限元分析軟件對某一安裝架結構進行了動力學仿真分析,首先進行了模態(tài)分析,在此基礎上進行了隨機振動的PSD (Power Spectral Density)分析,通過分析,提出了結構的改進方案。說明了在產品的設計過程中,對結構進行動力學仿真分析,可以預測產品的環(huán)境適應性,尋求最優(yōu)化的設計方案,并縮短產品的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。

1前言

在電子產品的結構設計生產完成后,一般都要進行產品的隨機振動試驗,以檢驗其環(huán)境適應性。如果在產品生產完成后,不能滿足環(huán)境適應性要求,則需要重新設計重新生產,會造成大量的人力物力的浪費。本文利用Ansys仿真分析軟件,在產品的概念設計階段進行隨機振動仿真分析,尋找出設計中的重要缺陷,對結構設計進行優(yōu)化,提高產品的可靠性,這樣就避免了生產的浪費,并縮短了產品開發(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,能對復雜模型進行各種力學分析,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,確定安裝架結構的固有頻率,再在模態(tài)分析的基礎上進行隨機振動分析,隨機振動分析采用功率譜密度(PSD)響應分析。

2建立分析模型

2.1模型簡化和導入

安裝架結構的模型,是根據實際的設計尺寸,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,根據經驗,如一些對分析結果影響很小的倒角、孔可以簡化去掉。在Ansys軟件中用輸入命令把經過簡化后的三維實體模型導入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 安裝架結構三維實體模型

2.2 設置單元類型和材料參數

在安裝架結構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),方盒材料根據相對密度,為自定義材料,各材料的力學性能見表1。

表1 材料特性

材料	密度(kg/m3)	彈性模量(MPa)	泊松比
硬鋁(LY12)	2800	71000	0.31
自定義材料	240	71000	0.31

2.3 劃分網格

利用Ansys的網格劃分工具對模型的各個部分分別劃分網格,共劃分了13727個單元。劃分后的有限元網格模型如圖2所示。

圖2 安裝架結構有限元模型

3設置邊界條件

安裝架結構在使用和環(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Ansys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。

表2 模型的前五階模態(tài)自振頻率

模態(tài)	1	2	3	4	5
自振頻率(Hz)	67.336	103.39	185.34	597.92	613.65

5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,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)響應統計,再對它們進行綜合,并假設隨機振動過程為平穩(wěn)隨機過程。PSD是一個結構在隨機載荷激勵的響應的統計值,它一般是一個PSD值和對應頻率的曲線,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,50Hz~1000Hz的PSD值為0.13g2/Hz,10Hz~50Hz的上升斜率為+3dB/oct,1000Hz~2000Hz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4~6分別顯示了三個方向隨機振動分析的1-σ應力云圖。圖7~9分別顯示了三個方向隨機振動分析的變形圖。

圖3 加速度響應譜曲線

圖4 X方向振動1-σ應力云圖

圖5 Y方向振動1-σ應力云圖

圖6 Z方向振動1-σ應力云圖

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結果分析

從隨機振動分析的結果中可以看出,隨機振動中的X方向振動的最大1-σ應力為1.47354MPa,最大1-σ位移為1.685×10-3mm;Y方向振動的最大1-σ應力為2.19081MPa,最大1-σ位移為2.075×10-3mm;Z方向振動的最大1-σ應力為2.5012MPa ,最大1-σ位移為3.182×10-3mm。三個方向中最大的3-σ應力為7.5036MPa,也就是說隨機振動中材料所受的最大應力大于7.5036MPa的概率為0.3%,遠低于材料的屈服極限。而最大應力主要是集中在支架的拐角處,因為在拐角處產生了應力集中。為了減少應力集中,建議把支架拐角處的圓角半徑加大,這樣既減少了應力集中,又增加了安裝時的連接強度。同時還可以把應力小的地方減小設計尺寸,提高材料的利用率。

7結論

通過對安裝架結構模型的有限元分析,特別是隨機振動分析,說明建立的三維模型是可行的,并根據分析結果提出了更好的改進方案。同時,可以看出利用Ansys能對產品的設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,并且實際的產品在生產中存在生產公差,產品的材料存在不確定性,所以,利用Ansys的分析結果只能作為設計的參考,減少實際隨機振動試驗產品失效的概率,不能代替實際的隨機振動試驗。

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