APDL在中频接收机随机振动仿真求解中的应用

2011-12-03倪修华

制导与引信 2011年4期

张艳,刘扬, 倪修华

(1.海军驻上海地区航天系统军事代表室,上海201109;2.上海无线电设备研究所,上海200090)

0 引言

中频接收机在导弹的发射与飞行过程中要经历恶劣的力学环境。通常在振动台上进行正弦扫描试验与随机振动试验,以验证中频接收机在发射与飞行过程中是否能够可靠工作,而这需要在中频接收机加工装配调试完成之后才能进行。但如果使用有限元仿真技术进行正弦扫描与随机振动分析,就可以在中频接收机CAD模型完成之后、零件加工投产之前对中频接收机的强度进行预测,发现薄弱环节并加以改进,减少经济损失,缩短研制周期。

大型通用有限元分析软件ANSYS中,可以使用GUI操作与APDL两种方式进行有限元仿真。APDL是 ANSYS软件中参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language)的简称,是用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言[1]。APDL为用户提供了完成建立模型、施加约束和载荷、求解以及后处理的一般命令外,同时还提供了对这些命令的循环判断等流程控制功能。在仅进行单次有限元仿真的场合,APDL相对于GUI操作并无优势;但在需要进行反复计算且操作过程比较繁琐的有限元仿真场合,使用APDL可以显著提高效率和降低出错概率[2]。在中频接收机的结构设计过程中,经常需要根据仿真结果修改结构设计,且按照总体要求需要在三个方向上分别施加随机振动激励以考核中频接收机的强度,因此每修改一次结构都需要进行三次随机振动仿真,以往展开的随机振动仿真的求解都是使用GUI操作进行[3,4],此方法比较繁琐。所以,本文以中频接收机随机振动仿真的求解为例,说明使用APDL在提高仿真效率等方面的优势。随机振动仿真由有限元模型的建立、模态的求解、谱的求解、模态合并和结果观察五个步骤组成。其中模态的求解、谱的求解和模态合并属于随机振动仿真的求解部分,该部分使用APDL完成。

1 有限元模型的建立

由于中频接收机的结构较复杂,有限元模型的建立过程中涉及手工调整较多,不便于使用APDL。ANSYS软件在复杂结构有限元模型的建立方面与前处理软件Hypermesh相比较弱,故在H ypermesh软件中使用GUI操作完成有限元模型的建立。

1.1 CAD模型导入与几何清理

中频接收机的CAD模型及其坐标轴方向的定义如图 1所示,它由通过图 1中所示的E、F、G、H处四个螺栓连接的两个盒体组成。中频接收机通过图中所示的A、B处螺栓以及与A、B处螺栓对称的C、D处螺栓(此视图中不可见)固定在导引头本体上。中频接收机的材料是牌号为2A 12的铝合金,其杨氏模量为70.6Gpa,密度为2 780 kg·m-3,泊松比为0.3,拉伸强度为407.1M pa。

图1 中频接收机CAD模型

CAD模型中可能包含许多设计细节,如细小的孔、狭窄的槽,甚至是建模过程中形成的小曲面等。这些细节往往不是基于结构的考虑,若保留这些细节,单元数量势必增加,甚至会掩盖问题的主要矛盾,使分析结果精度下降。因此,在仿真模型中删除图1中I、J等处的小孔,以及其他一些不影响分析结果的细微特征。

1.2 网格划分与约束处理

采用刚性连接的方法模拟图1中E、F、G、H处的螺栓。在同样的计算精度下,采用六面体单元比采用四面体单元具有更高的计算效率。但六面体网格划分要求几何体具有较规则的拓扑形状,由于中频接收机结构不规则,故采用二阶四面体单元Solid 187进行实体单元的划分。

对图1中A、B、C、D处四个螺栓孔内表面所有节点的三个自由度全部约束,以模拟中频接收机与本体的连接。在Hypermesh软件中完成中频接收机网格划分与约束处理后,将模型导入到有限元软件ANSYS中,其有限元模型如图2所示,共有102 717个单元,184 527个节点。

图2 中频接收机有限元模型

2 APDL在随机振动仿真求解中的应用

仿真用随机振动试验条件为标准加速度控制谱,频段范围为(10-2 000)Hz,其中(10-50)H z为3 dB的上升谱,(50-300)H z范围为0.25 g2/H z的平直谱,(300-2 000)H z为-12 dB的下降谱,总均方根加速度值为9.68 grm s,加载方向为三个轴向分别单独加载。随机振动有限元模型的求解包括模态的求解、谱的求解和模态扩展三个步骤,均使用APDL完成。

2.1 模态的求解

模态的求解包括选择分析类型、模态扩展、设置频率范围和求解等步骤,其APDL程序为

其中“!”之后的内容为注释。计算模态的频率上限应大于试验给定的频率上限2 000 H z,选定计算模态的频率上限为3 000 Hz[5]。计算得到(0-3 000)Hz频率范围内的固有频率如表 1所示,其第1阶模态的振型如图3所示。

表1 中频接收机的固有频率

图3 中频接收机的第1阶模态振型

2.2 谱的求解

谱的求解包括选择分析类型、定义载荷、定义输出、求解等步骤,其APDL程序为

2.3 模态合并

模态合并包括选择分析类型、设置模态合并的阈值、求解等步骤,其APDL程序为

2.4 与使用GUI操作的对比

与使用GU I操作相比,使用APDL进行随机振动仿真的求解具有如下优势。

(1)效率更高

随机振动求解过程分为三步,使用GUI操作十分繁琐,而且操作过程无法重复利用,即每进行一次仿真分析,在GUI操作中都需要重复性地进行人工操作。以设置PSD谱为例,使用GUI操作,每次进行仿真分析都需要完成图 4所示数据的录入。而APDL程序一旦编写完成后,只需要做小的修改就可以进行新的仿真分析,设置PSD谱等操作由计算机读入相应程序后自动运行,无需人工操作。如果仅改变加载方向,只需要对“D,all,ux,1.0”这一行程序进行修改,以重新定义加载方向;如果仅改变仿真对象,只需要对“Cm sel,s,nfixed,node”这一行程序进行修改,以重新定义PSD谱加载的节点。通常在一分钟内就可以完成程序的修改,直接运行修改后的程序就可以进行仿真。而利用GUI操作每次都需要10分钟左右的人工操作时间,因此使用APDL可以大幅提高工作效率。