动强度设计深度研究：某设备支架MSC仿真分析

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[2]，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[3]，使用MSC/NASTRAN软件[1]进行了一系列随机响应分析[4]。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[9]，支架又通过四个固定点固定在右设备舱上[8]。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[6]。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[5]。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[10]，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[7]，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[1]，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）

4、故障支架的随机响应分析

图1 设备支架结构示意图

图2 设备支架有限元模型

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。

图3 计算结果曲线

Fig.3 the caculating result curve

图4 试验结果曲线

Fig.4 the experimental result curve

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。