結(jié)構(gòu)隨機振動仿真分析

2017-07-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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。

1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,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。

結(jié)構(gòu)隨機振動仿真分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片1

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)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(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2 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(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(yīng)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(yīng)譜曲線

圖4 X方向振動1-σ應(yīng)力云圖

圖5 Y方向振動1-σ應(yīng)力云圖

圖6 Z方向振動1-σ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方向振動的最大1-σ應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(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試驗。

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