结构随机振动仿真分析

2017-07-12 by:CAE仿真在线来源:互联网

利用Ansys有限元分析软件对某一安装架结构进行了动力学仿真分析,首先进行了模态分析,在此基础上进行了随机振动的PSD (Power Spectral Density)分析,通过分析,提出了结构的改进方案。说明了在产品的设计过程中,对结构进行动力学仿真分析,可以预测产品的环境适应性,寻求最优化的设计方案,并缩短产品的开发周期,降低开发成本。

1前言

在电子产品的结构设计生产完成后,一般都要进行产品的随机振动试验,以检验其环境适应性。如果在产品生产完成后,不能满足环境适应性要求,则需要重新设计重新生产,会造成大量的人力物力的浪费。本文利用Ansys仿真分析软件,在产品的概念设计阶段进行随机振动仿真分析,寻找出设计中的重要缺陷,对结构设计进行优化,提高产品的可靠性,这样就避免了生产的浪费,并缩短了产品开发周期,降低成本。

Ansys有限元分析软件是一个功能强大的分析软件,能对复杂模型进行各种力学分析,并支持与其它三维软件的接口,在三维软件中建立的模型能直接输入到Ansys中进行分析。本文就是利用Pro/E三维设计软件进行建模,然后输入到Ansys中,首先进行模态分析,确定安装架结构的固有频率,再在模态分析的基础上进行随机振动分析,随机振动分析采用功率谱密度(PSD)响应分析。

2建立分析模型

2.1模型简化和导入

安装架结构的模型,是根据实际的设计尺寸,在Pro/E软件中建立的三维实体模型,如图1所示。在做有限元分析时,为了减少分析的运算量和分析的可行性,必须对模型进行简化,根据经验,如一些对分析结果影响很小的倒角、孔可以简化去掉。在Ansys软件中用输入命令把经过简化后的三维实体模型导入Ansys中,形成Ansys的三维模型。在三维模型中的有的地方是采用螺钉连接,但连接处螺钉间距较密,在通常试验条件下,可以认为连接面不发生相对滑移,所以为了简化分析把这些面粘接在一起。

图1 安装架结构三维实体模型

2.2 设置单元类型和材料参数

在安装架结构模型中主要由三维实体组成,全部采用SOLID45单元,支架材料为硬铝(LY12),方盒材料根据相对密度,为自定义材料,各材料的力学性能见表1。

表1 材料特性

材料	密度(kg/m3)	弹性模量(MPa)	泊松比
硬铝(LY12)	2800	71000	0.31
自定义材料	240	71000	0.31

2.3 划分网格

利用Ansys的网格划分工具对模型的各个部分分别划分网格,共划分了13727个单元。划分后的有限元网格模型如图2所示。

图2 安装架结构有限元模型

3设置边界条件

安装架结构在使用和环境试验中,采用四个螺栓通过端头的孔与基体固定,所以在模型中把支架与基体连接处固定三个方向的自由度。

4模态分析

利用Ansys的模态分析?？槎阅Ｐ徒辛四Ｌ治?扩展了模型的五阶模态,其自振频率见表2。

表2 模型的前五阶模态自振频率

模态	1	2	3	4	5
自振频率(Hz)	67.336	103.39	185.34	597.92	613.65

5随机振动分析

随机振动分析采用Ansys中谱分析的PSD分析功能,随机振动是以概率理论为基础,分析的输入输出都是具有随机概率特性。它的原理是首先计算模型的每阶模态响应统计,再对它们进行综合,并假设随机振动过程为平稳随机过程。PSD是一个结构在随机载荷激励的响应的统计值,它一般是一个PSD值和对应频率的曲线,PSD可以是位移PSD、速度PSD、加速度PSD或力PSD。

在该仿真中我们采用了和真实的随机振动试验一样的加速度谱,加速度谱的曲线如图3所示,50Hz~1000Hz的PSD值为0.13g2/Hz,10Hz~50Hz的上升斜率为+3dB/oct,1000Hz~2000Hz以-6dB/oct的斜率下降。利用Ansys对模型三个方向的振动分别进行了分析。图4~6分别显示了三个方向随机振动分析的1-σ应力云图。图7~9分别显示了三个方向随机振动分析的变形图。

图3 加速度响应谱曲线

图4 X方向振动1-σ应力云图

图5 Y方向振动1-σ应力云图

图6 Z方向振动1-σ应力云图

图7 X方向振动变形图

图8 Y方向振动变形图

图9 Z方向振动变形图

6结果分析

从随机振动分析的结果中可以看出,随机振动中的X方向振动的最大1-σ应力为1.47354MPa,最大1-σ位移为1.685×10-3mm;Y方向振动的最大1-σ应力为2.19081MPa,最大1-σ位移为2.075×10-3mm;Z方向振动的最大1-σ应力为2.5012MPa ,最大1-σ位移为3.182×10-3mm。三个方向中最大的3-σ应力为7.5036MPa,也就是说随机振动中材料所受的最大应力大于7.5036MPa的概率为0.3%,远低于材料的屈服极限。而最大应力主要是集中在支架的拐角处,因为在拐角处产生了应力集中。为了减少应力集中,建议把支架拐角处的圆角半径加大,这样既减少了应力集中,又增加了安装时的连接强度。同时还可以把应力小的地方减小设计尺寸,提高材料的利用率。

7结论

通过对安装架结构模型的有限元分析,特别是随机振动分析,说明建立的三维模型是可行的,并根据分析结果提出了更好的改进方案。同时,可以看出利用Ansys能对产品的设计前期阶段进行分析,有助于取得优化的解决方案。但是,在用Ansys进行分析时存在很多简化,并且实际的产品在生产中存在生产公差,产品的材料存在不确定性,所以,利用Ansys的分析结果只能作为设计的参考,减少实际随机振动试验产品失效的概率,不能代替实际的随机振动试验。

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