隔振器布置对随机振动特性影响对比研究
2019-03-27聂小华段世慧
韩 涛,聂小华,段世慧
(中国飞机强度研究所,陕西 西安 710065)
在机载电子设备的随机振动分析方面,现有文献已有研究,如吴孟武等[1]分析了某星载电子设备在加速度过载、冲击、正弦振动及随机振动等各种工况下的结构响应和受力情况,徐伟杰等[2]对某星载电子设备进行了模态分析,并在此基础上进行了随机振动响应分析,薄玉奎等[3]对机载电子设备接口引起谐振的情况进行了分析,范文杰等[4]对星载电子设备有限元模型进行模态分析,孙春艳等[5]提出了一种分数阶导数阻尼下随机振动结构的数值模拟方法。本文参考以上研究成果,为了进一步提高机载信号控制器的抗振性能,在随机振动强度分析基础上对设备的隔振器布置进行对比研究,根据设备安装尺寸,在拟定的结构初步方案基础上提取不同隔振器布局下的隔振效果,以典型位置有限元节点的振动传递率评估隔振器布局的隔振水平。在随机振动分析阶段对已有模型进行了物理试验验证,分析结果与试验结果一致性较好,能够达到辅助工程研发的目的,在节省物理试验成本,提高设备研制效率方面,具有一定的工程应用价值。
1 控制器结构方案
机载信号控制器改变了以往形式,提高了设备集成度和控制合理性设计,其内部主要包括信号放大器、功率放大器以及信号补偿传输装置,外观主要组成部分为6个面板和4个隔振器,控制器外形箱体大小为170.4mm×167.8mm×162.9mm。隔振器底座距离箱地约为28mm。设计方案包括初步设计和改进两套方案[6]。
结构初步设计方案一:侧向隔振器间距132.8mm,前后隔振器间距127.9mm的结构,如图1所示[6]。
结构改进设计方案二:侧向隔振器间距117.8mm,前后隔振器间距112.9mm的结构,如图2所示。两个方案结构其的他布局完全相同。
图1 控制器结构方案一
图2 控制器结构方案二
2 随机振动分析
随机振动分析是一种基于概率统计学的谱分析技术,也称功率谱密度分析,是将时间历程的统计样本转变为功率谱密度函数(Power Spectral Density,PSD)。随机振动分析中PSD记录了激励和响应的均方根值同频率的关系,因此PSD是一条功率谱密度值—频率值的关系曲线,即载荷时间历程。功率谱密度函数是随机变量自相关函数的频域描述,能反映随机载荷的频率成分。
有限元模型的总体坐标系及坐标原点与结构初步方案的数模一致,采用直角坐标系,采用统一单位如下:质量吨(t),长度毫米(mm),力牛顿(N),导出单位:应力及弹性模量兆帕(1MPa,=1N/mm2=106N/m2),质量密度(t/mm3)。信号控制器主要采用壳元建立有限元模型,按照各部件厚度和实际位置赋属性,箱体内部的板子采用重心位置的质量单元模拟,母线板采用壳元模拟,母线板与侧板之间采用共节点方式连接,质量单元通过MPC与母线板以及侧板连接,隔振器采用BUSH元模拟,并按隔振器各方向阻尼赋属性。控制器有限元模型共13529个单元,13115个结点。定义X方向为航向,Y方向为侧向,Z方向为垂向,在各个方向进行随机振动分析时施加该方向单位载荷,在进行某一方向的随机振动计算时,对该方向的约束进行释放,对其他方向的自由度进行约束。图3所示为某一方向约束示意图。
图3 控制器模型及约束条件
3 仿真结果及对比分析
3.1 方案一 RMS 应力云图
对于方案一结构的有限元模型,得出航向、侧向、垂向的RMS应力如图4、图5、图6所示,应力水平不高,最大应力约为134.0MPa、140.0MPa、66.8MPa,满足材料许用应力,最大应力点出现在隔振器连接位置[6]。
图4 方案一航向RMS应力云图
3.2 方案一 PSD 响应曲线
对于方案一,图7、图8、图9是3个方向的加速度PSD响应曲线,虚线表示输入点功率谱密度,输入点GRMS值与各方向振动载荷量值一致。实线代表距离振动输入节点较远处的PSD响应,可以看出减振效果较为明显。航向、侧向、垂向响应GRMS分别为5.054g、5.988g、8.302g,振动传递率分别为45.86%、19.29%、32.13%[6]。
图5 方案一侧向RMS应力云图
图6 方案一垂向RMS应力云图
图7 方案一航向PSD响应曲线
图8 方案一侧向PSD响应曲线
图9 方案一垂向PSD响应曲线
3.3 方案二 RMS 应力云图
对于方案二结构的有限元模型,得出航向、侧向、垂向的RMS应力如图10、图11、图12所示,应力水平不高,最大应力约为131.0MPa、136.0MPa、58.5MPa,满足材料许用应力,最大应力点出现在隔振器连接位置。可以看出,方案二结构的隔振器位置分析结果应力变化不大,总体而言两方案均满足材料许用应力。
图10 方案二航向RMS应力云图
图11 方案二侧向RMS应力云图
图12 方案二垂向RMS应力云图
3.4 方案二 PSD 响应曲线
对于方案二,图13、图14、图15是3个方向的加速度PSD响应曲线,虚线表示输入点功率谱密度,输入点GRMS值与各方向振动载荷量值一致。实线代表距离振动输入节点较远处的PSD响应,可以看出减振效果较为明显。航向、侧向、垂向响应GRMS分别为5.643g、5.823g、8.182g,振动传递率分别为51.16%、18.75%、31.65%。
图13 方案二航向PSD响应曲线
图14 方案二侧向PSD响应曲线
图15 方案二垂向PSD响应曲线
4 结论
针对本文提出的以随机振动分析对机载信号控制器隔振器布置进行对比研究,得出以下结论:
(1)依据物理试验选取的典型部位节点的振动传递率较低,该量值可以衡量结构在隔振器从输入到输出端的振动传递效率,两个方案结构的减振效果均非常明显。
(2)随机振动分析结果表明,该信号控制器结构具有较高的强度裕度,在隔振器布置位置上方案一在航向隔振效果更好,方案二在侧向和垂向隔振效果更好。
(3)从PSD响应曲线可以看出,在分析频段内输出曲线在输入曲线下方,个别频率出现放大,导致总均方根较大,这是由于在沿着随机振动输入方向的点在该方向的输入频率与模态一致导致的。
(4)该随机振动仿真分析方法可以解决同类产品在工程中常见的随机振动问题,其分析结果可以辅助结构设计和优化,为设备结构选型和定型提供参考。