设备支架动强度设计实践：MSC产品应用案例

摘要：本文以某设备支架为例，借助MSC/NASTRAN软件，应用动力学理论和工程设计方法对该部件进行了相关分析和设计。通过控制支架频率、响应加速度均方根值和结构刚度的动力学设计以避免低频振动，从而成功的解决了该设备支架的设计问题并重新设计了新的支架。

关键词：结构动力学、随机响应、动强度设计。

1前言

设备支架是飞机结构中常见的结构，其不仅要承受设备的载荷影响，同时还要承受飞机严酷的振动环境，因此对有关设备支架展开动强度设计是非常必要的。

某控制器在飞机飞行中，由于设备支架振动严重，影响该设备的使用，因此对这个支架需要进行综合的设计。

为了对支架设计提供动强度设计依据，特对支架结构建立有限元模型，使用MSC/NASTRAN软件[1]进行了一系列随机响应分析。通过分析得到结构重点部位的加速度及共振频率，并根据计算结果对支架进行了一系列动强度设计，最终解决问题。同时也为今后同类动力学问题的分析探索了一套工程实用的计算方法和设计技术。

2支架结构和故障

某控制器在飞机上采用插片方式安装在一个专用支架上，支架又通过四个固定点固定在右设备舱上。2006年该控制器在飞机飞行中，由于设备支架振动严重，从而影响该设备的使用，因此该设备支架在该设备生产厂进行了振动试验。试验条件是将该支架按照飞机上安装的四个安装点固定到振动台上，再将控制器安装到支架上进行振动试验，并在支架上控制器螺钉固定处放置了传感器，振动试验按0.04g2/Hz和0.07g2/Hz两个值进行两次试验。根据试验曲线，发现在低频段支架对振动有放大。然后，该厂针对控制器支架进行支架的振动试验，试验结果表明，支架的确在低频段出现较大振动。

这个试验的机理就是动强度分析中的随机响应分析。针对这个问题，本文中进行的工作是，第一步完成目前支架的随机响应分析，复现支架振动试验的结果，验证计算方法的正确性和准确性。第二步完成支架的改进设计和随机响应分析。

支架的更改设计和分析是本项工作的重点，对支架结构进行动强度设计，是目前解决问题的方法之一。在进行多轮分析和方案更改设计后，本文提供几种动强度设计后，支架解决低频振动的方案，供有关人员参考。

3随机响应分析的基本理论

在MSC/NASTRAN软件中，使用频率响应的方法计算随机响应，其理论如下：

根据频率响应分析：

uj(ω) =Hja(ω)*F a(ω)         （1）

式中：Hja(ω)是频响函数或传递函数。

如果我们有一些输入，那么：

uj(ω) =Hja(ω)*F a(ω)+ Hjb(ω)* Fb(ω)+…..                （2）

将其写为矩阵形式：

输出的自相关谱为：

各自的输入谱为：

于是输入输出关系为：

4 故障支架的随机响应分析

将整个支架使用板元模拟，再使用刚体元模拟振动台，使用MSC/NASTRAN软件中的基础激励方法对设备支架进行随机响应分析。

分析结果曲线和试验结果曲线如图3、图4所示。

通过分析发现，支架结构的确很弱，支架在f=84.9Hz处,加速度峰值RMS＝6.77g，与试验结果RMS=6.5g吻合。控制器安装位置的两个点634号，635号的响应加速度均方根值分别为：3.028464E+05 mm/s2约30g；3.276618E+05 mm/s2约32g。控制器压块附近点795号响应加速度均方根值为：2.509582E+05 mm/s2约25g。中间位置点704号，837号的响应加速度均方根值分别为：5.016224E+05 mm/s2约50g；5.208227E+05 mm/s2约52g。从有关曲线研究，加速度响应峰值出现在低频段，这必将发生高位移幅值的振动。因此，支架结构应当加强，以改善目前的振动状态。

5设备支架的更改设计

5.1 方案一

在原来支架的基础上增加腹板弯边的高度然后增加一块底板，使腹板形成一个封闭的角盒，以增加支架的抗弯刚度，从而提高支架的结构频率。更改后的设备支架有限元模型如图5所示。

通过分析，其结果表明，加速度响应峰值出现在100多Hz，结构得到明显加强。这样的计算结果表明，结构只会出现低位移幅值的振动。但由于安装位置空间的限制，这个方案无法实现而取消。

5.2 方案二

在上一个方案无法使用的情况下，只有使用分体式的支架，具体支架形式如图6所示。

从图7可以看出，目前的支架结构，在100多Hz出现一个明显的峰值，再查计算结果文件，计算结果表明，在113Hz～126Hz这个区域，Z向加速度有明显的高振动响应加速度，这对结构的振动疲劳寿命有影响，因此仍然不是好的设计，目前只能根据计算判断，这个支架方案好于原来的设备支架，但仍然需要试验的验证。

5.3 方案三

在方案二的基础上，将支架的安装角片进行封闭处理，然后再建立有限元模型，进行随机响应分析。

通过计算，控制器安装位置点的有关响应数据如下：

总的均方根值为：29.5g。

f₁=132.6Hz    峰值RMS=4.75g

f₂=186.8Hz    峰值RMS=4.56g

更改设计的支架结构，在100多Hz出现二个明显的峰值，但响应加速度幅值明显下降，共振频率明显提高。

5.4 方案四

在方案二的结构形式上，考虑阻尼结构的使用，降低结构的固有频率，增大结构的阻尼，让结构阻尼层吸收振动能量，达到减振的目的。具体方法是，将左侧支架面板更改为夹层结构，在夹层中使用填充的大阻尼材料，这样既可以确保结构的刚度，又可以增大阻尼，达到减振的目的。

通过计算，控制器安装位置点的有关响应数据如下：

总的均方根值为：7.9g。

f₁=145.1Hz  峰值RMS=1.7g

f₂=146.5Hz  峰值RMS=1.42g

f₃=147.2Hz  峰值RMS=1.22g

更改设计的支架结构，在100多Hz出现明显的峰值，但响应加速度峰值明显下降，共振频率明显提高，在低频段，振动明显降低，因此，结构吸收能量效果明显。所以，阻尼结构应当是能较好地解决这类问题的设计方法之一。

6 结论

通过对该设备支架进行随机响应分析、振动耐久性试验以及动力学设计。其结果表明，通过动力学方法进行不同类型的设备支架设计、分析，试验，可以确定最佳的设计方案，从而减少设计生产周期，达到快速解决飞行故障的目的。

本文论述的支架结构，在确定方案三为最终结构设计方案后，对新支架重新进行试验，得到的试验结果同计算结果吻合很好。因此这种通过动强度设计来处理工程问题的基本方法是非常有效的，亦可以用于今后此类工程问题的处理之中。

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