潘正濤 王繼楠 王鶴春

摘 要：無損檢測(cè)監(jiān)控箱在實(shí)際工作過程中容易受到隨機(jī)振動(dòng)的影響，為避免故障盒因?yàn)殡S機(jī)振動(dòng)受到不可逆破壞，在無損檢測(cè)監(jiān)控箱的研發(fā)過程中，對(duì)盒體研制方案進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析，通過試驗(yàn)提取了環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)頻譜，建立了新型無損檢測(cè)監(jiān)控箱的有限元模型，仿真分析結(jié)果表明，新型無損檢測(cè)監(jiān)控箱滿足設(shè)計(jì)輸入條件，并對(duì)無損檢測(cè)監(jiān)控箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了一定的減重方案。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè)；隨機(jī)振動(dòng)；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V243 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）27-0056-02

Abstract： Nondestructive testing （NDT） monitor box is easy to be affected by random vibration in the actual working process. In order to avoid the failure box from irreversible damage because of random vibration， in the research and development process of NDT monitor box， The random vibration analysis of the development scheme of the box body is carried out， the spectrum of the random vibration of the environment is extracted through the experiment， and the finite element model of the new type of nondestructive testing and monitoring box is established， and the simulation analysis results show that： The new type of NDT monitor box meets the design input condition， and the optimal design of NDT monitor box is given.

Keywords： nondestructive testing （NDT）； random vibration； finite element analysis； optimal design

1 概述

無損檢測(cè)監(jiān)控箱投入運(yùn)行之前，試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)，在使用過程中，無損檢測(cè)監(jiān)控箱隨時(shí)可能面臨環(huán)境中的隨機(jī)振動(dòng)影響，無損檢測(cè)監(jiān)控箱的重要功能在于大型結(jié)構(gòu)的多通道集成檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)分布在檢測(cè)環(huán)境的整個(gè)空間中，這就需要進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，對(duì)所有檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和顯示，以對(duì)待檢產(chǎn)品或設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)的安全運(yùn)維，為解決以上問題，需要設(shè)計(jì)一種無損檢測(cè)監(jiān)控箱，對(duì)廣布檢測(cè)空間的離散檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，并有效提醒工程師各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行情況。以往在無損檢測(cè)監(jiān)控箱設(shè)備的研發(fā)過程中忽略了設(shè)備的可擴(kuò)展性，新的試驗(yàn)需求提出了對(duì)無損檢測(cè)監(jiān)控箱通道擴(kuò)展的新要求，為此，需要研發(fā)一種新型16通道故障監(jiān)測(cè)儀器，以滿足無損檢測(cè)要求，為避免設(shè)計(jì)過程中的物理迭代，本文采用計(jì)算機(jī)仿真輔助樣機(jī)設(shè)計(jì)的手段，并對(duì)無損檢測(cè)監(jiān)控箱的外觀進(jìn)行了減重優(yōu)化。

2 新型故障箱設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

新的無損檢測(cè)對(duì)象需要故障箱單機(jī)通道不低于16通道，整個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)至少需要四個(gè)故障箱，并且試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員在通道配置過程中要求滿足冗余設(shè)計(jì)，即每個(gè)故障檢測(cè)箱最少冗余兩個(gè)備用通道，以防止試驗(yàn)過程中出現(xiàn)通道損壞或者增加監(jiān)測(cè)通道，設(shè)計(jì)要求監(jiān)測(cè)通道指示燈接口通用，開口尺寸，以及備用件尺寸已知，需滿足安裝口設(shè)計(jì)誤差比安裝件尺寸大1mm，以方便安裝，設(shè)計(jì)過程中需考慮設(shè)備散熱問題。

2.2 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

新型無損檢測(cè)監(jiān)控箱外觀如圖1所示。箱體前面板設(shè)計(jì)了16通道故障指示燈安裝開口，設(shè)計(jì)了電源供電系統(tǒng)的電壓測(cè)量表頭開口，設(shè)計(jì)了電源指示燈開口，設(shè)計(jì)了電源開關(guān)安裝口。在箱體的上面板、側(cè)面板分別設(shè)計(jì)了柵格散熱區(qū)。

在箱體后面板設(shè)計(jì)了電源供電開口，以及監(jiān)測(cè)通道集成線束接口，箱體材料以鋁合金板為主。考慮到箱體不同承載需求，箱體各面板為變厚度設(shè)計(jì)。

3 有限元分析

3.1 模型建立

建模主要采用殼元建立有限元模型，賦屬性時(shí)嚴(yán)格按照各部件厚度和實(shí)際位置，故障箱安裝底座采用BAR元模擬。如圖2所示。控制器有限元模型共13262個(gè)單元，13783個(gè)結(jié)點(diǎn)。

為方便單位換算，計(jì)算過程采用通用單位：質(zhì)量噸（t），長(zhǎng)度毫米（mm），力牛頓（N），導(dǎo)出單位：應(yīng)力及彈性模量兆帕（1MPa=1N/mm2=106N/m2），質(zhì)量密度（t/mm3）。

3.2 載荷及約束條件

隨機(jī)振動(dòng)分析是一種基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的譜分析技術(shù)，是將時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)樣本轉(zhuǎn)變?yōu)楣β首V密度函數(shù)（Power Spectral Density，PSD）。隨機(jī)振動(dòng)分析中PSD記錄了激勵(lì)和響應(yīng)的均方根值同頻率的關(guān)系，因此PSD是一條功率譜密度值-頻率值的關(guān)系曲線，亦即載荷時(shí)間歷程。

模型中在四個(gè)底座處施加邊界條件，計(jì)算某一方向響應(yīng)時(shí)，約束其他方向自由度，該方向不施加約束。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力云圖

如圖3所示，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)力云圖可以看出，箱體整體而言，應(yīng)力水平不高，最大應(yīng)力約為20.7MPa，局部應(yīng)力較大，由于在箱體支撐腳附近的梁元模擬存在應(yīng)力集中，所以在分析時(shí)不考慮該局部區(qū)域的應(yīng)力分布，所以從整體應(yīng)力分布可以看出設(shè)備具備一定的減重空間。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

將設(shè)備保守區(qū)域的箱體側(cè)板進(jìn)行變厚度設(shè)計(jì)，針對(duì)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力分布情況，將頂板厚度和側(cè)板厚度進(jìn)行了相應(yīng)的減重處理，減重后對(duì)箱體有限元模型重新進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，得到的結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)振動(dòng)設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了優(yōu)化減重設(shè)計(jì)的目的。

5 結(jié)束語

在新型無損檢測(cè)監(jiān)控箱的設(shè)計(jì)階段通過隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，減少了設(shè)計(jì)迭代，給出的優(yōu)化方案有效減輕了設(shè)備的重量，節(jié)約了設(shè)備設(shè)計(jì)和制造成本。仿真分析結(jié)果與改進(jìn)之前無損檢測(cè)監(jiān)控箱的試驗(yàn)結(jié)果基本一致， 證明了該方法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱位秋.隨機(jī)振動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[2]林家浩，張亞輝.隨機(jī)振動(dòng)的虛擬激勵(lì)法[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]莊表中.結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[4]張玉梅，韓增堯，鄒元杰.隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下航天器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法綜述[J].力學(xué)進(jìn)展，2012，42（4）：464-471.

[5]賀峰，周志廣，林杰，等.機(jī)載電子設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（2）：98-100.

[6]楊斌.電子設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)仿真分析[J].電子工藝技術(shù)，2013，34（5）：299-302.