李文志， 王云峰， 張敬瑩

（1.中國電子科學(xué)研究院， 北京 100041； 2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044）

0 引言

機(jī)載顯控臺(tái)作為特種飛機(jī)電子設(shè)備的安裝平臺(tái)，首先要保證操作員能夠方便地觀察、操控這些電子設(shè)備，還要確保電子設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間安全可靠地工作，因此，顯控臺(tái)除了有優(yōu)良的人機(jī)工程設(shè)計(jì)外， 還應(yīng)該具備足夠的剛強(qiáng)度以適應(yīng)機(jī)載振動(dòng)沖擊環(huán)境的要求。 受載機(jī)體積和承載量的限制， 減重和控制尺寸已成為機(jī)載顯控臺(tái)必須解決的首要問題[1]。 因此，機(jī)載顯控臺(tái)的設(shè)計(jì)必須滿足以下幾方面要求：①機(jī)械要求：滿足電子設(shè)備的安裝要求及人機(jī)工效要求， 同時(shí)考慮加工工藝及經(jīng)濟(jì)性等； ②重量要求：在滿足安裝空間和使用要求的前提下，顯控臺(tái)的重量盡可能輕；③抗振要求：固有頻率需避開輸入振動(dòng)譜的窄帶；振動(dòng)沖擊環(huán)境下顯控臺(tái)架材料強(qiáng)度滿足要求，安全系數(shù)一般應(yīng)大于1.2。

本文基于有限元優(yōu)化仿真技術(shù)對(duì)一種機(jī)載顯控臺(tái)進(jìn)行有限元建模，先對(duì)顯控臺(tái)模型進(jìn)行了模態(tài)分析，再加載真實(shí)的振動(dòng)條件，對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行了振動(dòng)分析和沖擊分析，找出了顯控臺(tái)設(shè)計(jì)的薄弱位置，以此來指導(dǎo)顯控臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 機(jī)載振動(dòng)環(huán)境

機(jī)載顯控臺(tái)的載機(jī)通常為大型運(yùn)輸機(jī)， 其振動(dòng)一般為寬帶和窄帶共同作用的振動(dòng)譜， 圖1 為某中型螺旋槳飛機(jī)平臺(tái)的真實(shí)振動(dòng)譜，其中L0=0.3g2/Hz。

圖1 某型運(yùn)輸機(jī)的振動(dòng)譜

2 機(jī)載顯控臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺(tái)架的重量。顯控臺(tái)架分為上臺(tái)架和下臺(tái)架兩部分，外形尺寸為800mm（寬）×860mm（深）×1400（高），臺(tái)架壁厚為1.8mm。 顯控臺(tái)上主要安裝有2 塊19in 顯示器、 控制設(shè)備、鍵盤和計(jì)算機(jī)等設(shè)備。

圖2 顯控臺(tái)效果圖

3 有限元建模

3.1 材料參數(shù)

顯控臺(tái)架材料為碳纖維T700，其拉伸模量E=1800Gpa，拉伸強(qiáng)度σb=1500Mpa， 密度ρ=1600～1700kg/m3， 泊松比ν=0.33。

3.2 有限元模型

為了建模更為合理，同時(shí)也為了計(jì)算時(shí)更加準(zhǔn)確，在有限元建模時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。 簡(jiǎn)化時(shí)一般應(yīng)遵循以下原則：

（1）顯控臺(tái)的外形尺寸及設(shè)備安裝接口不能改變，安裝設(shè)備的尺寸及重量不能改變。

（2）顯控臺(tái)上小的倒角及圓角可以用直角代替。

（3）模型的安裝固定方式必須與工作狀態(tài)保持一致[2]。

參照上述原則在有限元分析軟件中對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行有限元建模，顯控臺(tái)架材料為碳纖維T700；臺(tái)架的主體結(jié)構(gòu)均為1.8mm 碳纖維薄板， 可使用SHELL63 殼單元代替；顯示器、計(jì)算機(jī)等設(shè)備的重心基本在幾何中心，用等質(zhì)量塊代替， 選用SOLID45 體單元。 各單元的密度均采用實(shí)際值。 顯控臺(tái)有限元模型見圖3。

圖3 顯控臺(tái)有限元模型

3.3 約束條件

顯控臺(tái)安裝時(shí)采用底部剛性連接的方式與載機(jī)固定，左右兩側(cè)支腿上各有3 個(gè)固定點(diǎn)。在有限元模型上施加與裝機(jī)狀態(tài)一致的連接方式， 約束顯控臺(tái)底部6 個(gè)固定點(diǎn)6 個(gè)方向的自由度。

4 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有的頻率和振型， 也是在后續(xù)隨機(jī)振動(dòng)仿真分析時(shí)所必需的數(shù)據(jù)[3]。 因此，仿真計(jì)算時(shí)取顯控臺(tái)的前10 階模態(tài)，見表1。

通過計(jì)算表明，顯控臺(tái)第1 階模態(tài)為14.92Hz，主要為顯控臺(tái)架整體左右方向的晃動(dòng)。

對(duì)比圖1 中載機(jī)振動(dòng)譜， 可以看出顯控臺(tái)前10 階固有頻率可以避開載機(jī)輸入振動(dòng)譜的窄帶， 能夠避免與載機(jī)的共振。

表1 前10 階固有頻率

5 振動(dòng)分析

圖4 第1 階模態(tài)

對(duì)顯控臺(tái)有限元模型進(jìn)行振動(dòng)分析， 在顯控臺(tái)底部的6 個(gè)固定點(diǎn)上分別輸入X、Y 和Z 向的真實(shí)振動(dòng)譜（見圖1）， 經(jīng)計(jì)算可以獲得顯控臺(tái)在輸入振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的3σVon Mises 應(yīng)力響應(yīng)幅值，三個(gè)方向的應(yīng)力響應(yīng)幅值見表2 及圖5-圖7。

表2 各方向3σVon Mises 應(yīng)力響應(yīng)幅值

圖5 X 向3σVon Mises 應(yīng)力圖

圖6 Y 向3σVon Mises 應(yīng)力圖

圖7 Z 向3σVon Mises 應(yīng)力圖

通過計(jì)算結(jié)果可知，X 方向（即顯控臺(tái)安裝的前后方向）振動(dòng)時(shí)，顯控臺(tái)架的應(yīng)力響應(yīng)幅值最大，最大位置在上顯示器安裝位置的加強(qiáng)筋和臺(tái)架底部固定點(diǎn)。 而碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度σb=1500Mpa，因此，顯控臺(tái)架材料在振動(dòng)條件下可以滿足要求，此時(shí)的安全系數(shù)為1.95。

6 沖擊分析

顯控臺(tái)在機(jī)上不僅要承受載機(jī)振動(dòng)的影響， 還要承受墜撞安全沖擊的影響，在墜撞安全沖擊時(shí)，顯控臺(tái)上安裝的設(shè)備不能脫落，進(jìn)而影響飛行安全。墜撞安全沖擊一般為40g 的后峰鋸齒波。

對(duì)顯控臺(tái)的有限元模型分別施加上下、前后、左右方向的后峰鋸齒波進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 臺(tái)架上下方向的應(yīng)力圖見圖8，前后方向的應(yīng)力圖見圖9，左右方向的應(yīng)力圖見圖10。表6 為強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果，從表可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在向前沖擊時(shí)，最大應(yīng)力值為1295MPa，而碳纖維材料的許用應(yīng)力為1500MPa，此時(shí)的安全系數(shù)為1.16，因此臺(tái)架的強(qiáng)度滿足要求，但安全系數(shù)太小，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8 向上、向下沖擊應(yīng)力圖

圖9 向前、向后沖擊應(yīng)力圖

圖10 向左、向右沖擊應(yīng)力圖

表3 沖擊載荷計(jì)算結(jié)果

7 優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過上述振動(dòng)分析和沖擊可知， 顯控臺(tái)架的最大應(yīng)力發(fā)生在向前沖擊時(shí)顯控臺(tái)架底部的連接部位。 對(duì)顯控臺(tái)架進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)底部連接面局部加強(qiáng)，厚度增加至7mm。 對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的顯控臺(tái)重新建模并仿真分析，向前沖擊時(shí)的最大應(yīng)力降為1127MPa，此時(shí)安全系數(shù)為1.33，滿足設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié)論

本文基于一種機(jī)載顯控臺(tái)的設(shè)計(jì)方案， 進(jìn)行了模態(tài)分析、振動(dòng)和沖擊分析。 通過模態(tài)分析，可以看出顯控臺(tái)前10 階固有頻率均避開了載機(jī)振動(dòng)譜的窄帶，可以避免與載機(jī)的共振；通過振動(dòng)分析和沖擊，可以找出顯控臺(tái)設(shè)計(jì)的薄弱位置，即顯控臺(tái)向前沖擊時(shí)，顯控臺(tái)架的應(yīng)力最大，此時(shí)安全系數(shù)為1.16，安全系數(shù)太小。 通過對(duì)找出的薄弱位置進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)并重新仿真分析， 安全系數(shù)提高為1.33，滿足了設(shè)計(jì)要求。

以上分析方法可用于其他機(jī)載產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。