某设备箱在随机特定激励下的结构响应分析

韩东霏

(中国白城兵器试验中心，吉林 白城 1 3 7 0 0 1)

某设备箱在随机特定激励下的结构响应分析

韩东霏

(中国白城兵器试验中心，吉林 白城 1 3 7 0 0 1)

某设备包装箱体在批量生产前，需进行结构优化设计。模态分析可得其结构振动固有频率数据，再通过进行车载环境下的横侧轴和垂直轴随机振动P S D分析，得到相关的数值仿真结果，合理对其结构的环境适应性进行预判，并为今后完善结构提供科学依据，为振动试验提供理论基础。

设备箱；随机激励；结构响应

在运输过程中，低频振动易对精密器件造成机械性损伤，而合理的包装箱设计可预防其因受到振动和机械冲击而产生损坏。为预判某设备包装箱设计缺陷、结构优化和提高产品可靠性，在模拟随机振动激励条件下，对其整体动强度和加速度响应进行数值分析。

分析可知其动态特性与应力、应变和振动频率的关系，在预测振动响应幅预和提高隔振设计效果等方面提供了理论支持，避免了材料浪费，缩短了设计周期和降低成本。

1 结构模态方程分析

求出系统的模态参数需进行模态分析，对线性定常系统振动微分方程组解耦。重要参数即结构固有频率和振型，为动态载荷结构设计中确定设计机构或机器部件的振动特性。忽略箱体结构阻尼对低阶固有频率和振型的影响，无阻尼自由振动方程。

解为位移幅值U的齐次方程为（2）式：

当系数行列式为0时，可得到非零解，即

2 某设备箱模态分析

2.1 频率提取分析

将特征值数目设为至少3 0 0 0以上，能保证在频率提取分析步中提取足够数量的模态，所提取的最高频率为1 2 4 0 6 Hz。当某设备箱底部固定时，振动的主要方向是Z方向。在Z方向上总的有效质量为1 9.5 6 8 k g，模型的总质量为2 1.7 4 2 3 2 k g，在Z方向上总有效质量占可运动质量的比例为9 0%，提取了足够的模态。

图1 R MS分布云图

2.2 特定随机激励谱分布

将某设备箱底部固定于振动台面上，从台面底部输入随机振动加速度激励，并在约束处施加三个方向的加速度功率谱激励。当模拟结构在随机激励载荷作用下的响应分布时，构件中较薄弱的部位容易导致结构的失效。对模型在三个方向进行随机振动分析，由于第1 0阶谐振频率超出随机振动加速度激励谱，故在横侧轴、垂直轴加速度响应谱激励下，给出满足功率谱密度的模型在Z方向的RMS分布云图（图1）。

选取横侧轴、垂直轴激励下，RMS分布云图中所受应力均较大的四点：左侧壁底部节点2、左侧壁与顶部交结处节点7 3、顶部凸起节点2 7 5与7 0 8、右侧壁节点1 6 0 4和右侧壁与底部交结处节点1 6 2 4，得到模型在所设定激励情况下响应频率分布（图2）。

从横侧轴、垂直轴激励输出谱中可知，频率在小于和大于2 5 0 Hz时，各节点响应比较缓和，与激励输入值比较接近。在2 0 0～2 5 0 Hz时，各节点响应较强烈，结构发生强烈响应的频率在其二阶固有频率附近。

图2 节点Z方向在随机激励下的响应分析

3 结论

通过模态分析和P S D可知，箱体结构左、右侧壁底端拐角处、顶部及左、右侧壁中心处在随机振动中出现破坏的机率较高。建议应对其侧壁底端拐角处、盖体交结处及右侧壁处进行材料强化，同时将拐角处变为圆角，这样能减少应力集中产生，增加连接强度。在满足要求的情况下，可考虑将应力小的部分设计尺寸减小，提高材料利用率。

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