操作控制台加速度工况的强度分析

  一般控制台机架组成按功能划分,由上框架、中框架、下框架和操作台四部分组成。
  
  操作控制台(以下简称控制台)作为操作人员的工作席位,其上安装的大屏幕显示器是主要的人机交互界面,传感器系统发现的信息和处理指令均通过在大屏幕显示器上由操作人员控制。为保证控制台操作员视觉上的控制要求,控制台与安装结构刚性连接。控制台安装的设备主要有加固显示器、加固计算机、加固键盘、氧气救生设备、通信设备和系统交联的线缆等。
  
  1/1材料参数
  
  控制台的结构重量有严格的限制,铝合金材料成为结构设计师的优选。目前,大多数的控制台都选用铝合金材料作为控制台机架的主题材料,通过钣金折弯焊接成形的结构设计方案实现。
  
  1/2环境条件
  
  控制台振动试验功率谱密度,冲击值和加速值,与实装相同固定方式和环境条件。
  
  2、控制台有限元分析
  
  本文所做的有限元分析采用被国际工程领域承认的大型有限元分析软件ANSYS10.0。该软件广泛用于机械制造、石油化工、造船、航空航天、汽车交通、电子、水利、铁道等众多领域。
  
  2/1有限元模型的建立及网格划分
  
  控制台的结构比较复杂,需要对模型进行简化,这样可以加快计算速度、提高精度。机架采用铝型材折弯焊接而成的钣金结构,为更好的模拟实际结构,采用4节点壳单元shell63,用壳单元来描述其力学特性为合理,壳单元包括了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应,且壳单元有效高的计算精度,同时控制台大部分平面的长宽与厚度的比值相差十倍以上。在考虑主机、键盘和显示器对控制台机架的影响时,按实际几何形状建模,采用8节点体单元solid45来代替实际设备质量。建立模型过程中先后生成点、线、面、体,在螺栓连接处采用耦合自由度的方法约束,在焊接部分要求有公共点和线。整个建模过程采用APDL参数化语言实现,将控制台的尺寸参数化,包括施加的载荷,这样可以方便的更改各种尺寸和载荷,提高计算时间和分析效率。用ANSYS软件建立的有限元模型。
  
  2/2模态分析
  
  模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术,也是掌握结构动态特征的好方法。它包括固有频率和振型,固有频率和振型是结构设计中的重要参数。
  
  2/2/1理论基础
  
  控制台整个结构的振动方程为:
  
  Mq + Cq + Kq = f
  
  (1)式中,M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;q分别为加速度、速度和位移矢量;f为载荷矢量。
  
  模态分析,即求解结构的固有频率和振型,假定控制台是结构自由且无阻尼的系统,其振型方程为:
  
  Mq + Kq = 0
  
  (2)对简谐振动,其中,节点位移q的节点振幅列阵(或称模态振型);频率与时间。
  
  (3)按自由振动理论,n阶自由度系统的自由振动方程式应有n个固有频率,并且可以由频率进行列式决定。、
  
  由式(4)可求得系统的各阶固有频率,再把代入式(3)即可求出特征向量(模态振型)。
  
  2/2/2有限元模态分析
  
  对控制台模型进行模态分析,得到前8阶固有频率。
  
  前阶振型,1阶振型表现为整个控制台前后方向上的弯曲振动;2阶振型表现为整个控制台左右方向上的弯曲振动;3阶振型表现为整个控制台上下方向上的扭转振动;4阶振型表现为整体结构前后摆动,下部电子设备摆动方向与整体摆动方向相反。其余4阶都是二次弯曲振型,内部电子设备带动机架有左右或上下的摆动。从频率值大小及振动形态可判定控制台具有较高的整体刚度,其刚度储备足够,分布合理。
  
  2/3 控制台9g加速度工况的强度分析
  
  加速度是描述振动环境强度的基本量,9g向前加速载荷情况是结构安全的极限工况,控制台是按照9g加速度惯性载荷设计的。如果此工况。设备的向前加速度方向。根据真实的约束条件,控制台在底部六个安装点的位置约束其平动自由度,为了避免应力集中,每个螺栓对应的位置取4个节点约束位移,再对整个控制台的变形云图。从图中可以看出,由于底部的约束,整个控制台的大变形仅9.261mm,且发生在控制台的顶部。为更好地反映控制台的强度,给出控制台单元平均应力云图。从图中可知控制台与地面接触的螺栓位置是整个控制台应力比较集中的位置,其中大等效应力值为103Mpa,这个值未达到铝型材的屈服极限,因此强度满足要求,且强度储备具有一定的裕量。
  
  2/4控制台12g加速度工况的强度分析
  
  12g向前加速度载荷情况是环境条件中严酷的工况,经过计算得到整个控制台的变形云图。从图中可知,整个控制台的大变形发生在顶部,数值是12.349mm。控制台单元平均应力云图,从图中可知控制台内部大等效应力值为137Mpa,虽已接近铝型材的屈服极限,但远未达到材料的强度极限,因此材料也是满足要求的,大等效应力值发生在与地板相连的螺栓位置附近,由于螺栓采用的材料是30CrMnSiA,它的强度远远大于铝型材的强度,因此工况强度满足要求。
  
  2/5 9g12g加速分析结果比较
  
  将9g12g加速度有限元分析结果进行对比,两种工况分析条件相同(除施加的加速值不同),得出的结论中变形和应力的大值发生位置相同。
  
  通过对比得出控制台在以9g加速度作为设计输入时,产生的大等效应力13Mpa,强度尚有一定的裕量,以12g加速度作为极限状态进行分析时,产生的大等效应力已接近材料的屈服极限。因此控制台在满足极限状态加速度的工况下,结构安全性也是满足要求的。
  
  3、试验验证
  
  3/1 振动冲击试验
  
  根据1.2中环境条件要求,将控制台按实装状态通过夹具安装到振动冲击试验台上,夹具要尽可能刚性对称,电子设备处于工作状态。振动试验时在控制台顶部采集的输出功率谱密度,与输入比较放大不明显。振动冲击试验后外观无损伤、结构无松动,证明控制台抗冲振能力强,强度符合要求,与分析结果一致,验证强度分析结果合理。
  
  3/2加速度试验
  
  试验条件选择严酷的坠撞安全条件,Y方向施加12g的加速度冲击和静力试验各一次。试验要求加速度12g的作用时间是180ms,静力试验值是12g加速度作用在控制台上力的计算值,作用时间3s。试验后进行外观和机械性能检查,无连接松动,无外观变形及裂缝(包括焊接裂缝)、无机械损伤。证明控制台刚度满足要求,与有限元分析结论相同,验证模态分析结论合理。
  
  结语
  
  模型是参照某大型信息系统的控制台建立的,电子设备参照实装设备重量及外形尺寸,对控制台进行强度、模态和结构特性分析,得出结论。
  
  1、在环境条件下,控制台结构符合指标要求;
  
  2、控制台强度、刚度满足要求,结构设计合理、有效;
  
  3、模型的简化过程中忽略一些结构细节(如电子设备内部构造),只考虑电子设备整体对控制台的影响。由于采用实物进行的试验结论比通过简化模型分析的结论要强,证明这些简化是合理有效的。
  
  文中采用ANSYS模拟实际工况对操作控制台进行分析,得出了结论,通过产品环境试验验证有限元分析方法合理、可靠。通过产品环境试验验证有限元分析方法合理、可靠。通过有限元分析出刚度和强度薄弱的地方,加强结构设计满足刚强度要求;同时提高设计效率,缩短研发周期;在设计策划阶段可以为设计、改进设计及结构的优化提供一种方法;也为以后产品的结构设计提供参考。

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