基于ANSYS某振动支架的设计

杨 娇， 吴柯锐， 李 婷

（1.国营785厂第三研究所， 山西 太原 030024；2.空军驻山西地区军事代表室， 山西 太原 030024）

引言

随着加固显示器的使用环境越来越严苛，对加固显示器自身抗振能力的要求也越来越高。为了保证设备的可靠性，必须对设备进行环境试验，振动支架作为加固显示器进行环境试验的载体，因此对其进行结构设计必不可少。本文利用三维设计软件Solidworks对振动支架进行实体建模，然后导入有限元分析软件ANSYS，对其进行模态分析和随机振动分析，验证设计的可行性，较传统方法具有时间短、成本低的特点。

1 建立模型

1.1 研究对象

加固显示器振动支架的传统加工方法是铸造，对结构复杂、体积较小的支架尤为适合，但缺点是耗时长，成本较高。为了节约成本，缩短研发周期，本文设计了一种采用平板拼装结构的振动支架，材料选用铝合金，其外形尺寸为400 mm×500 mm×400 mm，创建的实体模型如图1所示。

图1 实体模型

1.2 有限元模型

ANSYS中的Workbench模块能与Solidworks中建立的三维实体模型进行无缝对接，但在导入模型前需要先将实体模型导入到SCDM模块中进行一定的简化处理[1]，将一些对分析结果影响不大的特征进行简化，如模型中紧固用的螺钉、螺钉孔、倒圆。模型完成简化后，在ANSYS Workbench模块下进行分析，将模型材料设置为铝合金，同时对所选材料的力学参数进行设置，弹性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2 770 kg/m3，网格单元类型采用四面体与六面体混合网格，然后对模型进行网格划分，生成的有限元模型节点数为87 790，单元数为38 473。

1.3 约束条件

实际工况下，该型振动支架通过螺钉与振动台固定，故在分析中对振动支架上的底部螺钉连接面施加约束。其他拼接板之间通过螺钉紧固，但为了降低计算量且保证分析结果的准确性，在各个板之间添加了接触的约束。

2 模态分析

模态分析是动力学分析的基础，可用于在产品设计前预先避免可能引起的共振。在对产品结构进行动态分析时，频率越低，权重越大，即低阶模态特性基本决定了产品动态性能[2]。本文将通过两种方法确定振动支架的固有频率：一种是理论计算，另一种是有限元计算，对比两种结果，验证正确性。

2.1 有限元计算

在本次模态分析中，只关心低阶模态及其振型，故将模态阶数设置为6。经仿真，得到模型前六阶模态数的固有频率和振型，频率和振型描述见表1。限于篇幅文中只给出了第2阶的模态振型图，如图2所示。

2.2 理论分析

表1 前六阶频率和振型

图2 2阶模态振型

该振动支架横截面可近似看作是工字型结构，故其惯性矩大小为：

式中：B=400 mm；b=180 mm；H=400 mm；h=350 mm。

换算后求得I=1.49×10-3m4。

振动支架整体近似成一个匀质简单支撑梁，其垂直于固定方向的固有频率为[3]：

式中：E=70 GPa（铝合金弹性模量）；g=9.8 m/s2（重力加速度）；W=381 N（质量）；L=400 mm（长度）；

将各参数的值代入频率计算公式，得fn=455.7 Hz。

理论计算结果与模态分析结果542.59 Hz相近，误差在20%之内，说明模态计算的结果可信。

3 随机振动分析

随机振动分析是指机构在某种随机激励作用下，计算一些物理量（如位移和应变）的概率分布状况[1]。本文根据GJB150.16A—2009的规定，采用组合轮式车振动载荷作为激励，该激励为PSD G加速度功率谱，频率从0～500 Hz，与模型固有频率范围不重叠，说明在该振动条件下振动支架与振动台不会发生共振。随机振动计算完成后，得到振动支架的等效应力，应力云图如图3所示，1σ水平的概率分布表明在68.269%的时间范围内该振动支架的最大应力在0.405 48 MPa以下，计算得到的应变云图，如图4所示，1σ水平的概率分布表明在68.269%的时间范围内该振动支架的最大变形在0.004 123 2 mm以下。可见，振动支架的应力、应变都较小，证明了该设计的正确性和合理性。

图3 应力云图

图4 应变云图

4 结论

通过对某加固显示器振动支架进行模态分析，得到了振动支架低阶模态的频率和振型，并利用理论分析结果验证了模态分析结果的准确性，并通过随机振动分析，获得了振动支架在随机振动下的应力、应变特性。结果表明，拼接结构的振动支架是可行的，为振动支架的设计提供了一种新的方法。

（编辑：赵琳琳）