某机载显控台振动仿真分析

李文志， 慎利峰，王云峰，张敬莹

（1.中国电子科学研究院，北京 100041； 2.中机生产力促进中心，北京 100044）

引言

机载显控台需要安装大量的电子设备，因此，显控台必须提供良好的抗振环境，才能使安装的电子设备具有高可靠性。由于载机平台对安装在其上设备的体积和重量均有严格限制，因此，机载显控台必须控制其自身的尺寸及重量[1]。机载显控台设计通常需考虑以下两个方面：

1）抗振特性：显控台机架刚强度好，固有频率需避开输入谱的窄带，机架材料的安全系数应尽可能大，一般应为1.2。

2）重量：在满足载机安装空间限制和使用要求的前提下，显控台机架的重量越小越好。

本文基于优化仿真技术对某型显控台进行有限元建模，对模型进行仿真分析，并对显控台的设计进行评估，找出设计的薄弱位置，以此进行优化设计。

1 机载振动环境

机载显控台的载机一般为运输机，运输机的振动谱通常为窄带和宽带叠加的振动谱，图1为某型螺旋桨飞机的振动谱，其中L0=0.3 g2/Hz。

图1 螺旋桨飞机振动谱

2 机载显控台设计

某型显控台设计效果图见图2。显控台主体框架采用铝板5A05折弯焊接成型，主要分上框架和下框架两部分，主体材料壁厚为2.5 mm。显控台宽度为900 mm，深度为670 mm，高度为1 330 mm。显控台上安装的主要设备为1块27 in显示器、操作面板和键盘/轨迹球。

3 有限元建模

3.1 材料参数

显控台机架主体材料为铝钣金5A05（O），其密度为2 700 kg /m3，泊松比为0.33，弹性模量为71 Gpa，屈服极限为130 MPa，抗拉强度为255 MPa[2]。

3.2 有限元模型

显控台机架材料必须工作在弹性范围内，所以在仿真计算及求解过程中均只关注弹性变形，而不关注材料塑性变形的影响。

有限元模型的准确性会直接影响仿真的结果，但显控台结构复杂，有限元建模时必须进行简化。建模时一般参照如下基本原则：

1） 显控台上安装设备的位置、重量、尺寸与实际情况完全一致；

2）去除模型中不必要的点、线、面及倒角、圆角等信息，但显控台框架的主承力件的材料、尺寸、结构形式不能简化；

3）模型的安装固定方式必须与工作状态保持一致[3]。

参照上述原则在Ansys软件中对显控台进行有限元建模，显控台主体框架材料为铝合金钣金件，因此采用SHELL63壳单元；显示器等设备用等质量块代替，采用SOLID45体单元；显控台下框架左右支撑梁、上框架的所有加强筋均与设计保持一致。显控台有限元模型参见图3。

图2 显控台效果图

图3 显控台有限元模型

3.3 约束条件

装机时显控台采用底部和背部刚性连接的方式与载机连接固定。在有限元模型上施加与实际装机状态一致的固定方式，约束显控台底部和背部固定点六个方向的自由度。

4 模态分析

模态是结构固有的频率和振型，也是在后续随机振动仿真分析时所必需的数据[4]。因此，本次仿真取计算所得的前10阶模态，见表1。

通过计算表明，显控台的第1阶模态为52.98 Hz，主要为显控台左右方向的振动，振型参见图4；第4阶模态固有频率为192.12 Hz，振型参见图5，为显控台前后方向的扭转；其他阶次为局部模态，主要表现为显控台的局部振动。

对比图1中的飞机实际振动谱，可以看出显控台前10阶固有频率避开了实际振动谱的窄带，能够避免与载机共振。

表1 显控台的前10阶固有频率

图4 第1阶模态

图5 第4阶模态

5 振动分析

在显控台与载机的连接点分别输入X、Y、Z三个方向的振动谱（见图1）。显控台各方向在整个频率范围内的3σVon Mises应力响应幅值统计见表2及图6～8。

计算结果显示，Y方向（即显控台的垂直方向）振动时，显控台机架的应力响应幅值最大，出现在显控台底部固定点，此处即为显控台设计薄弱点。对照3.1节中铝钣金5A05（O）的屈服极限为130 MPa，可见显控台主体材料在输入振动条件下可以满足要求，此时的安全系数为1.03，安全系数太小，需要进行局部加强。

表2 各方向3σVon Mises应力响应幅值

图6 X向3σVon Mises应力图

6 优化设计

图7 Y向3σVon Mises应力图

图8 Z向3σVon Mises应力图

经过上述仿真分析可知，显控台机架的最大应力发生在底部与载机的连接部位，以及上框架安装显示器处的加强筋位置。对显控台设计薄弱位置进行局部加强，增加底部连接面的厚度，改进显示器位置加强筋的结构形式，重新建模并仿真分析，Y方向应力分布见图9，优化后最大应力降为99.1 MPa，此时安全系数为1.3，满足设计要求。

图9 改进后Y方向振动时应力响应幅值

7 结论

本文对某型显控台的模型进行了模态和振动仿真分析。通过模态仿真，可以看出显控台前10阶固有频率能够避开载机振动的窄带，可以避免共振；通过振动仿真分析，可以找出显控台设计的薄弱位置，即显控台垂直方向振动时，显控台机架的应力最大，此时安全系数为1.03，安全系数太小。通过对找出的薄弱位置进行局部加强并重新仿真分析，安全系数提高为1.3，满足了设计要求。

以上分析方法可用于其他机载产品的优化设计。