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结构随机振动仿真分析

李如忠
四川省绵阳市919信箱515分箱621900

摘要利用Ansys有限元分析软件对某一安装架结构进行了动力学仿真分析，首先进行了模态分析，在此基础上进行了随机振动的PSD(PowerSpectralDensity)分析，通过分析，提出了结构的改进方案。说明了在产品的设计过程中，对结构进行动力学仿真分析，可以预测产品的环境适应性，寻求最优化的设计方案，并缩短产品的开发周期，降低开发成本。

关键词有限元分析随机振动谱分析PSD

Randomvibrationanalysisofstructure
LiRu-zhong
P.O.Box919-515,Mianyang,Sichuan621900,CHINA
Abstract
ThedynamicsimulationofabracketstructureisdoneviaAnsys,aFEA(FiniteElementAnalysis)softwareprogram.First,themodalanalysisisdone,thenthePSD(PowerSpectralDensity)analysisofrandomvibrationisstudied.Theimproveddesignispresented.Thedynamicsimulationplaysanimportantroleinproductdesigncycle.Itishelpfulnotonlyinseekingoptimumsolutionforproduct,butalsoefficientinshorteningtheresearchcycle,reducingcost.
KeywordsFEA,randomvibration,spectrumanalysis,PSD
前言
在电子产品的结构设计生产完成后，一般都要进行产品的随机振动试验，以检验其环境适应性。如果在产品生产完成后，不能满足环境适应性要求，则需要重新设计重新生产，会造成大量的人力物力的浪费。本文利用Ansys仿真分析软件，在产品的概念设计阶段进行随机振动仿真分析，寻找出设计中的重要缺陷，对结构设计进行优化，提高产品的可靠性，这样就避免了生产的浪费，并缩短了产品开发周期，降低成本。
Ansys有限元分析软件是一个功能强大的分析软件，能对复杂模型进行各种力学分析，并支持与其它三维软件的接口，在三维软件中建立的模型能直接输入到Ansys中进行分析。本文就是利用Pro/E三维设计软件进行建模，然后输入到Ansys中，首先进行模态分析，确定安装架结构的固有频率，再在模态分析的基础上进行随机振动分析，随机振动分析采用功率谱密度（PSD）响应分析。
建立分析模型
模型简化和导入
安装架结构的模型，是根据实际的设计尺寸，在Pro/E软件中建立的三维实体模型，如图1所示。在做有限元分析时，为了减少分析的运算量和分析的可行性，必须对模型进行简化，根据经验，如一些对分析结果影响很小的倒角、孔可以简化去掉。在Ansys软件中用输入命令把经过简化后的三维实体模型导入Ansys中，形成Ansys的三维模型。在三维模型中的有的地方是采用螺钉连接，但连接处螺钉间距较密，在通常试验条件下，可以认为连接面不发生相对滑移，所以为了简化分析把这些面粘接在一起。

安装架结构三维实体模型
设置单元类型和材料参数
在安装架结构模型中主要由三维实体组成，全部采用SOLID45单元，支架材料为硬铝（LY12），方盒材料根据相对密度，为自定义材料，各材料的力学性能见表1。
表1材料特性
材料密度(kg/m3)弹性模量(MPa)泊松比硬铝（LY12）2800710000.31自定义材料240710000.31划分网格
利用Ansys的网格划分工具对模型的各个部分分别划分网格，共划分了13727个单元。划分后的有限元网格模型如图2所示。

安装架结构有限元模型
设置边界条件
安装架结构在使用和环境试验中，采用四个螺栓通过端头的孔与基体固定，所以在模型中把支架与基体连接处固定三个方向的自由度。
模态分析
利用Ansys的模态分析模块对模型进行了模态分析，扩展了模型的五阶模态，其自振频率见表2。
表2模型的前五阶模态自振频率
模态12345自振频率(Hz)67.336103.39185.34597.92613.65随机振动分析
随机振动分析采用Ansys中谱分析的PSD分析功能，随机振动是以概率理论为基础，分析的输入输出都是具有随机概率特性。它的原理是首先计算模型的每阶模态响应统计，再对它们进行综合，并假设随机振动过程为平稳随机过程。PSD是一个结构在随机载荷激励的响应的统计值，它一般是一个PSD值和对应频率的曲线，PSD可以是位移PSD、速度PS