基于ANSYS Workbench随机振动分析的ATR安装架优化设计

杨春林， 王婧

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

0 引言

随机振动是工程技术领域经常遇到的问题。随着技术的发展，随机振动已成为电子设备工程结构设计中最重要的课题。以前的很多结构设计都是由具有丰富设计经验的设计人员凭借主观判断或者是仅仅做一些简单的结构计算，设备一旦定型，还会作为后续模板在其他项目中被模仿。但是随着实际工程的振动环境越来越复杂，同时对设备轻量化要求的不断提高，需要采用更加现代化的设计手段来对设备进行抗振优化设计。

本文对ATR机架的设计采用了系统工程，采用系统设计方法，设计、计算、绘图等广泛使用计算机技术，开展数字化设计。通过UG建立整机三维模型，然后导入ANSYS Workbench中进行随机振动分析，使设计者在产品进行随机振动试验之前就掌握设备的应力应变等特性，可及时对设备进行优化设计，避免试验后的重大改动，提高产品结构设计效率，有效降低产品成本。

1 ANSYS Workbench随机振动分析简介

有限元是力学、数学、物理学、计算方法、计算机技术等多种学科综合发展和结合的产物。它的实质是将复杂的连续体划分为有限个简单的单元体，化无限自由度问题为有限自由度问题，将连续场函数的（偏）微分方程的求解问题转化为有限个参数的代数方程组的求解问题[1]。

ANSYS Workbench是ANSYS公司在ANSYS软件基础上推出的一种集成框架，它整合现有的各种应用，并将仿真过程结合在一起。其中的随机振动分析（Random Vibration）模块广泛应用于机载电子设备、声学装载部件、抖动光学对准设计等行业。

2 非标ATR安装架结构设计

ATR机架是用在机载机柜系统中，用来实现电子设备在机柜上的安全、方便和快速安装拆卸。作为机载设备与机柜之间的安装件，安装架直接影响设备的可靠性。由于机载系统的机械环境较为恶劣，系统对产品的要求也非常高，这在一定程度上限制了安装架材料和结构形式的选择，因此ATR机架既要结构合理、重量轻，同时也要具有较高的刚度和强度，满足有限空间、重量以及严酷环境的要求。

安装架为“口”字形结构，外形尺寸为490 mm（宽）×43 mm（高）×504.5 mm（深）。架上安装的设备总重量为10 kg，通过安装架与机柜连接。安装架主要由机柜连接件、侧板、后定位件、前锁紧件构成。

图1 安装架上设备示意图

图2 安装架示意图

设备从前向后采取推入式安装，当后面板的导销与安装架的导套安装面紧密配合时设备即安装到位，然后将安装架的前锁紧装置和设备前面的紧定钩配合，这样前后配合的安装方式，即可将ATR设备紧密固定在机架上，从而固定在机柜上。为避免设备推入时将设备底面划伤，在安装架与设备之间设计了聚四氟乙烯的垫板。

3 安装架有限元分析

3.1 有限元模型的建立

结构模型建立后，需要对结构模型做适当的简化。根据有限元理论，需要删除或抑制某些对实际问题研究影响较小的特征，减少模型的特征数，以降低网格单元总数，有效利用计算资源，缩短计算时间。建立简化的、正确的有限元模型是有限元分析的先决条件。

本文用到的简化模型的方法主要有以下几种：1）在UG中删除对分析影响较小的小孔、小的凸台；2）将对分析影响较小的倒角、圆角进行适当处理；3）删除螺栓、螺钉等小特征，改用适当的接触约束代替。

在对结构模型进行适当简化后，本文在ANSYS Workbench中建立的有限元模型如图3所示，其中架上设备简化为与实际设备等质量、等体积且质心重合的空心铝合金体，网格单元数量为196 037，节点数量为366 610。

图3 安装架及设备的有限元模型

3.2 材料特性

ATR安装架采用的材料主要是铝合金5A06和不锈钢1Cr18Ni9Ti，材料力学性能如表1所示[2]。

表1 材料特性参数

3.3 随机振动环境条件

随机振动的独特之处是，在给定带宽内的所有频率自始至终在任一瞬时都会出现在随机振动中。这就意味着，当一个电子系统经受一个频率范围内的随机振动环境时，电子系统在相同带宽内的所有结构谐振频率都将同时受到激发。

电子工业界中通常使用功率谱密度P（或均方根加速度密度）作为随机振动环境的单位，它用重力单位进行测量，因此没有量纲。功率谱密度的公式如下：P=a2/f。其中：a为加速度，f为频率。

10g的加速度水平意味着加速度具有10倍于重力加速度的量值。

根据相关环境适应性要求，安装架及设备采用宽带加窄带的随机振动曲线谱进行试验，振动图谱如图4所示。

图4 随机振动谱线

3.4 随机振动分析

表2 模态分析结果

将有限元模型建立好后，对有限元模型进行模态分析和随机振动分析，提取前5阶模态参数如表2所示。

对分析的结果施加图4所示的激励条件，可以得到安装架的X、Y、Z方向的应力云图，云图如图5所示。

图5 X/Y/Z方向应力云图

图6 结构优化后安装架结构

4 安装架结构优化及分析

4.1 结构优化设计

如图5所示，计算的最大结果分别为X方向的263 MPa,Y方向的425.73 MPa，Z方向的152.68 MPa，而且最大值都出现在安装架与机柜连接件的弯角处，机柜连接件的许用应力为250 MPa，显然X方向和Y方向的计算应力都大于材料许用应力，不能满足设计要求，必须对结构方案进行优化。

表3 模态分析结果

根据前面的分析结果，需要对安装架应力超出许用应力部分结构进行结构优化设计，经过综合考虑，优化设计后的结构如图6所示，在连接件弯角部分增加了加强筋，而且将连接件靠近弯头处的螺钉尽可能向两端移动，通过这两项措施增加零件本身薄弱环节的强度。

4.2 优化后结构的随机振动分析

对优化后的结构进行模态分析和随机振动分析，与之前进行的内容一样，提取前5阶模态参数如表3所示。同样对分析模型施加图4所示的激励条件，可以得到其X、Y、Z方向的应力云图。

分析结果显示，最大应力分别为X方向的64.48 MPa，Y方向的83.4 MPa，Z方向的38.73 MPa，连接件材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，许用应力为250 MPa，安全系数n=250/83.4=3＞2，还有较大的安全裕量。

5 结语

本文通过ANSYS Workbench对ATR机架进行了模态分析和有限元分析，并在分析的基础上进行了结构优化，通过对比优化前后的分析结果，优化后的结构应力得到明显的改善，应力水平大幅下降，X方向应力值下降了75.5%，Y方向应力值下降了80.4%，Z方向应力值下降了74.6%。说明经过优化后的ATR安装架结构能够满足设备环境条件，而且具有较大的安全系数。

[1]丁科，陈月顺.有限单元法[M].北京：北京大学出版社,2007.

[2]工程材料实用手册编辑委员会.工程材料实用手册[M].北京:中国标准出版社,1989.