一种机载显控台振动仿真及优化

李文志， 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）

0 引言

机载显控台作为特种飞机电子设备的安装平台，首先要保证操作员能够方便地观察、操控这些电子设备，还要确保电子设备能够长时间安全可靠地工作，因此，显控台除了有优良的人机工程设计外， 还应该具备足够的刚强度以适应机载振动冲击环境的要求。 受载机体积和承载量的限制， 减重和控制尺寸已成为机载显控台必须解决的首要问题[1]。 因此，机载显控台的设计必须满足以下几方面要求：①机械要求：满足电子设备的安装要求及人机工效要求， 同时考虑加工工艺及经济性等； ②重量要求：在满足安装空间和使用要求的前提下，显控台的重量尽可能轻；③抗振要求：固有频率需避开输入振动谱的窄带；振动冲击环境下显控台架材料强度满足要求，安全系数一般应大于1.2。

本文基于有限元优化仿真技术对一种机载显控台进行有限元建模，先对显控台模型进行了模态分析，再加载真实的振动条件，对显控台进行了振动分析和冲击分析，找出了显控台设计的薄弱位置，以此来指导显控台的结构设计。

1 机载振动环境

机载显控台的载机通常为大型运输机， 其振动一般为宽带和窄带共同作用的振动谱， 图1 为某中型螺旋桨飞机平台的真实振动谱，其中L0=0.3g2/Hz。

图1 某型运输机的振动谱

2 机载显控台结构设计

台架的重量。显控台架分为上台架和下台架两部分，外形尺寸为800mm（宽）×860mm（深）×1400（高），台架壁厚为1.8mm。 显控台上主要安装有2 块19in 显示器、 控制设备、键盘和计算机等设备。

图2 显控台效果图

3 有限元建模

3.1 材料参数

显控台架材料为碳纤维T700，其拉伸模量E=1800Gpa，拉伸强度σb=1500Mpa， 密度ρ=1600～1700kg/m3， 泊松比ν=0.33。

3.2 有限元模型

为了建模更为合理，同时也为了计算时更加准确，在有限元建模时需要对模型进行必要的简化。 简化时一般应遵循以下原则：

（1）显控台的外形尺寸及设备安装接口不能改变，安装设备的尺寸及重量不能改变。

（2）显控台上小的倒角及圆角可以用直角代替。

（3）模型的安装固定方式必须与工作状态保持一致[2]。

参照上述原则在有限元分析软件中对显控台进行有限元建模，显控台架材料为碳纤维T700；台架的主体结构均为1.8mm 碳纤维薄板， 可使用SHELL63 壳单元代替；显示器、计算机等设备的重心基本在几何中心，用等质量块代替， 选用SOLID45 体单元。 各单元的密度均采用实际值。 显控台有限元模型见图3。

图3 显控台有限元模型

3.3 约束条件

显控台安装时采用底部刚性连接的方式与载机固定，左右两侧支腿上各有3 个固定点。在有限元模型上施加与装机状态一致的连接方式， 约束显控台底部6 个固定点6 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[3]。 因此，仿真计算时取显控台的前10 阶模态，见表1。

通过计算表明，显控台第1 阶模态为14.92Hz，主要为显控台架整体左右方向的晃动。

对比图1 中载机振动谱， 可以看出显控台前10 阶固有频率可以避开载机输入振动谱的窄带， 能够避免与载机的共振。

表1 前10 阶固有频率

5 振动分析

图4 第1 阶模态

对显控台有限元模型进行振动分析， 在显控台底部的6 个固定点上分别输入X、Y 和Z 向的真实振动谱（见图1）， 经计算可以获得显控台在输入振动频率范围内的3σVon Mises 应力响应幅值，三个方向的应力响应幅值见表2 及图5-图7。

表2 各方向3σVon Mises 应力响应幅值

图5 X 向3σVon Mises 应力图

图6 Y 向3σVon Mises 应力图

图7 Z 向3σVon Mises 应力图

通过计算结果可知，X 方向（即显控台安装的前后方向）振动时，显控台架的应力响应幅值最大，最大位置在上显示器安装位置的加强筋和台架底部固定点。 而碳纤维材料的拉伸强度σb=1500Mpa，因此，显控台架材料在振动条件下可以满足要求，此时的安全系数为1.95。

6 冲击分析

显控台在机上不仅要承受载机振动的影响， 还要承受坠撞安全冲击的影响，在坠撞安全冲击时，显控台上安装的设备不能脱落，进而影响飞行安全。坠撞安全冲击一般为40g 的后峰锯齿波。

对显控台的有限元模型分别施加上下、前后、左右方向的后峰锯齿波进行强度计算。 台架上下方向的应力图见图8，前后方向的应力图见图9，左右方向的应力图见图10。表6 为强度计算的结果，从表可以看出，最大应力发生在向前冲击时，最大应力值为1295MPa，而碳纤维材料的许用应力为1500MPa，此时的安全系数为1.16，因此台架的强度满足要求，但安全系数太小，应进行优化设计。

图8 向上、向下冲击应力图

图9 向前、向后冲击应力图

图10 向左、向右冲击应力图

表3 冲击载荷计算结果

7 优化设计

经过上述振动分析和冲击可知， 显控台架的最大应力发生在向前冲击时显控台架底部的连接部位。 对显控台架进行针对性的优化设计，对底部连接面局部加强，厚度增加至7mm。 对优化设计后的显控台重新建模并仿真分析，向前冲击时的最大应力降为1127MPa，此时安全系数为1.33，满足设计要求。

8 结论

本文基于一种机载显控台的设计方案， 进行了模态分析、振动和冲击分析。 通过模态分析，可以看出显控台前10 阶固有频率均避开了载机振动谱的窄带，可以避免与载机的共振；通过振动分析和冲击，可以找出显控台设计的薄弱位置，即显控台向前冲击时，显控台架的应力最大，此时安全系数为1.16，安全系数太小。 通过对找出的薄弱位置进行局部优化设计并重新仿真分析， 安全系数提高为1.33，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。