計(jì)算機(jī)力學(xué)仿真在彈載模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉全勝 白秀茹

摘要：在火箭發(fā)射過(guò)程中彈載電子設(shè)備會(huì)承受高強(qiáng)度的變頻率隨機(jī)載荷、沖擊載荷及加速度載荷，對(duì)于難以開(kāi)展實(shí)際試驗(yàn)的彈載電子設(shè)備，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，借助計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真結(jié)果，在相應(yīng)載荷工況下得到的仿真數(shù)據(jù)和可視化后處理圖像，可對(duì)彈載結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力及變形情況等進(jìn)行力學(xué)和變形分析，從而達(dá)到快速完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化達(dá)到設(shè)計(jì)合理的目的，更好地控制科研成本和周期。

關(guān)鍵詞：力學(xué)仿真；隨機(jī)載荷；沖擊振動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）11-54-4

0引言

在電子設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域，以ANSYS為主要工具的工程仿真，依據(jù)數(shù)字化樣機(jī)模型建立熱學(xué)和力學(xué)分析模型，能快速地模擬電子設(shè)備在各種載荷和環(huán)境條件下的響應(yīng)，對(duì)難以開(kāi)展實(shí)際試驗(yàn)的樣機(jī)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)和校核，為電子設(shè)備滿足苛刻環(huán)境條件提供虛擬試驗(yàn)技術(shù)支撐。結(jié)構(gòu)仿真分析具有速度快、可靠性高、可改動(dòng)性好和可模擬多種工況等優(yōu)勢(shì)，在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被頻繁使用。

通常創(chuàng)建有限元分析模型需要花費(fèi)不少的時(shí)間，并且用戶(hù)需要掌握有限元方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和建模技巧以確保分析模型的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，這就給對(duì)于時(shí)間、進(jìn)度要求苛刻的結(jié)構(gòu)有限元分析工作帶來(lái)了阻礙和困惑。而ANSYS Workbench不僅提供CAD風(fēng)格可視化建模環(huán)境，將以往用戶(hù)難以掌握的建模技巧、單元關(guān)鍵字控制及邊界條件加載等做成了圖標(biāo)式命令，還可將ANSYS Workbench強(qiáng)大的前處理和ANSYS Classic個(gè)性化設(shè)置相結(jié)合，可以用熟悉的命令進(jìn)行各種控制，加快模型創(chuàng)建進(jìn)度。

1問(wèn)題描述

1.1結(jié)構(gòu)外形

彈載產(chǎn)品具有小型化、集成化、高動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)。彈載天線模塊的三維模形如圖1所示，在火箭彈發(fā)射過(guò)程中，伴隨著沖擊振動(dòng)和惡劣的環(huán)境，作為彈載設(shè)備的組成部分，該模塊必須能夠承受持續(xù)一段時(shí)間的變頻率隨機(jī)載荷、沖擊載荷和加速度載荷。

為了滿足設(shè)計(jì)要求，所有結(jié)構(gòu)在振動(dòng)區(qū)間內(nèi)不能有共振頻率。作為難以開(kāi)展實(shí)際試驗(yàn)的樣機(jī)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)ANSYS Workbench的力學(xué)仿真模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真，并進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)（瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)）和沖擊分析來(lái)確定結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的響應(yīng)，以達(dá)到調(diào)整、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。本文針對(duì)天線模塊中的殼體（材料為99氧化鋁陶瓷）進(jìn)行振動(dòng)和沖擊環(huán)境適應(yīng)性仿真分析。

1.2振動(dòng)條件

天線模塊隨機(jī)寬頻帶振動(dòng)，按照表1規(guī)定進(jìn)行仿真。

1.3沖擊條件

天線模塊沖擊響應(yīng)譜，按照表2規(guī)定進(jìn)行仿真。

1.4殼體材料屬性

火箭發(fā)射時(shí)，天線模塊受到接近600℃的熱沖擊，因?yàn)?9氧化鋁陶瓷具有優(yōu)異的耐高溫性能，如表3所示，所以選用該材料作為天線模塊的殼體材料。

2 Workbench建模原則

在建立Workbench有限元模型時(shí)，需處理好細(xì)節(jié)問(wèn)題，以得到精確的結(jié)果，原則如下。

（1）精確建模

有限元模型是從實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化提煉而來(lái)，所以必須保證有限元模型與原始結(jié)構(gòu)能夠等效，在進(jìn)行有限元分析時(shí)要選擇合適的單元類(lèi)型，合理地劃分單元網(wǎng)格。有限元模型精確與否對(duì)計(jì)算結(jié)果誤差的大小和結(jié)論的正確性有直接影響。

（2）準(zhǔn)確加載

準(zhǔn)確加載是指有限元模型必須從分析、計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)各個(gè)方面確保載荷的位置、大小、加載方式和實(shí)際工況盡量一致，以確保載荷值可靠。

（3）正確約束

正確約束是指要完整地把握結(jié)構(gòu)邊界條件及各部件之間的約束關(guān)系，找出決定連接性質(zhì)的主要因素，以及替換約束的等效方式，確保連接關(guān)系的合理，保證計(jì)算模型中的邊界條件和連接關(guān)系與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符。

3力學(xué)仿真分析

3.1振動(dòng)分析

為了分析天線模塊的振動(dòng)情況，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Random Vibration模塊，進(jìn)行振動(dòng)分析。殼體的振動(dòng)條件參數(shù)如表1所示，分別在， ，三個(gè)方向上添加振動(dòng)激勵(lì)，求解在該條件下殼體的變形和應(yīng)力，以確定其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（1）添加方向振動(dòng)激勵(lì)

圖2從左至右分別為殼體在， ，三個(gè)方向的變形云圖，表4為隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果，可以看出，殼體在振動(dòng)沖擊下，最大的變形為1.06伊10-5mm，為向的變形。

圖3為振動(dòng)激勵(lì)下殼體所受應(yīng)力分布云圖，可以看出殼體所受的應(yīng)力最大為0.108 MPa，受力范圍主要集中在天線罩拐角處，殼體應(yīng)力范圍在99氧化鋁陶瓷的安全許用應(yīng)力范圍內(nèi)，殼體安全。

⑵添加Y方向振動(dòng)激勵(lì)

圖4為殼體在， ，三個(gè)方向的變形云圖，表5為振動(dòng)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?，殼體在振動(dòng)下，最大的變形為1.83伊10-5mm，為向的變形。

圖5為振動(dòng)激勵(lì)下殼體應(yīng)力分布，可以看出殼體所受應(yīng)力主要集中在天線罩拐角處，最大應(yīng)力為0.11 MPa，應(yīng)力范圍處在99氧化鋁陶瓷許用應(yīng)力范圍內(nèi)，殼體安全。

（3）添加方向振動(dòng)激勵(lì)

圖6為殼體在， ，三個(gè)方向的變形云圖，表6為振動(dòng)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)。可以看出，殼體在振動(dòng)激勵(lì)下，最大的變形為8.0伊10-5mm，為向的變形。

圖7為振動(dòng)激勵(lì)下殼體應(yīng)力分布，由圖中可以看出殼體所受應(yīng)力主要集中在天線罩拐角處，最大應(yīng)力為0.1 MPa，應(yīng)力范圍處在99氧化鋁陶瓷許用應(yīng)力范圍內(nèi)，殼體安全。

3.2沖擊分析

為了分析天線模塊沖擊響應(yīng)譜，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Response Spectrum模塊，進(jìn)行了沖擊響應(yīng)分析。

（1）X方向

按表2條件進(jìn)行沖擊分析，加載方向?yàn)閄方向。圖8得到在沖擊激勵(lì)條件下殼體各方向的變形量仿真結(jié)果。表7為各方向最大變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)可知，殼體最大變形量為方向0.0024 mm。

圖9為沖擊作用下殼體應(yīng)力分布圖，可以看出沖擊過(guò)程中最大應(yīng)力集中在器件圓孔處和天線罩拐角處，應(yīng)力為2.16 MPa，所受應(yīng)力在99氧化鋁陶瓷承受范圍內(nèi)，殼體不會(huì)產(chǎn)生破壞。

（2）/方向

在/方向，按表2條件加載并進(jìn)行沖擊分析，圖10為殼體各方向的變形量仿真結(jié)果。表7為各方向最大變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有表中數(shù)據(jù)可知，殼體最大變形量為方向0.002 39 mm。

圖11為殼體應(yīng)力分布圖，可以看出沖擊過(guò)程中最大應(yīng)力集中在天線罩拐角處，應(yīng)力為76.65 MPa，所受應(yīng)力在99氧化鋁陶瓷材料承受范圍內(nèi)，殼體不會(huì)產(chǎn)生破壞。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)力學(xué)仿真結(jié)果可以看出，在火箭發(fā)射助推段隨機(jī)寬頻帶振動(dòng)的多種環(huán)境下，彈載天線模塊殼體的變形量非常微小，應(yīng)力也均在允許范圍內(nèi)，所以模塊殼體可保障天線模塊的安全工作。

由于力學(xué)仿真所用模型和邊界條件與實(shí)際工況存在一定的差距，因此仿真數(shù)據(jù)無(wú)法完全準(zhǔn)確反映實(shí)際情況，需要與初樣樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照提升仿真和設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，并進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5結(jié)束語(yǔ)

在工程實(shí)踐中，伴隨CAE的深入開(kāi)展，結(jié)構(gòu)仿真分析從對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的分析和校驗(yàn)，到對(duì)產(chǎn)品性能的仿真和預(yù)測(cè)，再到設(shè)計(jì)方案的比較選擇與優(yōu)化，都發(fā)揮了重要的作用，隨著運(yùn)算力的不斷提升，計(jì)算機(jī)仿真必將引領(lǐng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)新的階段。

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