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摘要：本文以某产品支架为例，基于MSC.Nastran对机载设备结构进行了仿真及优化，首先介绍了产品模型的简化原则和仿真分析的一般流程，在模态分析的基础上对产品进行了仿真分析。通过仿真分析结果，找到了产品的薄弱位置，并对结构进行优化设计，找到了满足振动要求的方案。
关键词：机载电子产品；有限元；随机振动；MSC.Nastran；优化设计
引言
机载设备工作的稳定性和可靠性直接影响着军用飞机的作战性能[1]。其中，设备结构的机械性能是必须要考虑的问题。产品设计生产完成后，都要进行产品的机械性能试验，以检验产品的环境适应性，若产品不能满足主机要求，则需要重新设计生产，造成大量的资源浪费。研制试验中，可以利用仿真试验减少生产物理样机的费用[2]。
本文以某型号产品支架为例，介绍了机载产品结构的仿真及优化。
1 有限元仿真
机载产品通过卡箍与支架固定在一起，支架通过三个安装孔安装在飞机上。在振动试验中，支架中间的安装孔产生裂纹。仿真试验主要考核支架的机械性能，产品以等重等体积的圆柱代替，支架材料为1Cr18Ni9Ti，厚度2mm，材料弹性模量为198GPa，泊松比为0.28。
1.1 模态分析
模态分析的目的是确定电子产品结构的动态特性（固有频率和振型），一方面避免与其他结构的频率共振，另一方面是其他动力响应分析的基础。支架的前三阶模态分别为128.66Hz、268.64Hz、310.07Hz。
2.2 随机振动仿真分析
MSC_Nastran对随机振动分析是作为频率响应后处理进行的，输入功率谱密度，在垂直于支架方向施加加速度激励，随机振动结果如图1所示。
图1 随机振动响应结果
随机振动响应结果显示，支架安装孔处应力值为79.1MPa，根据公司试验数据，随机振动应力值超过70MPa，结构容易发生破坏。在随机振动试验中，正是此安装孔处遭到破坏，仿真结果与试验结果相似。因此，需要对此结构进行改进。
3 优化设计
随机振动量值较大的频率段为90～180Hz，而支架的一阶共振频率为128.66Hz，正处在量值较大频率段内，优化设计的目标是提高支架刚度以避开此频率段。提高刚度的方法可以增加厚度或者增加加强筋结构。
3.1 增加厚度为2.5mm
支架厚度增加到2.5mm，计算得到的支架一阶模态结果为159.35Hz。一阶共振频率依然在量值较大的频率段内，安装孔处随机振动的应力为57.6MPa。
3.2 增加厚度为3mm
支架厚度增加到3mm，计算得到的支架一阶模态结果为184.71Hz。一阶共振频率避开了量值较大的频率段，安装孔处随机振动的应力为50.9MPa。
3.3 厚2mm增加加强筋
支架厚度为2mm，在孔中间位置增加压凹加强筋，计算得到的支架一阶模态结果为164.89Hz。一阶共振频率依然在量值较大的频率段内，安装孔处随机振动的应力为37.4MPa，应力值较小，可以满足振动要求。
3.4厚2.5mm增加加强筋
支架厚度增加到2.5mm的基础上增加加强筋设计，计算得到的支架一阶模态结果为190.19Hz。一阶共振频率避开了量值较大的频率段，支架应力云图如图2所示，安装孔处随机振动的应力为33.6MPa，应力值较小，可以满足振动要求。
图2 2.5mm厚加强筋支架应力图
由以上四种方案可以看出增加支架厚度和加强筋结构都可以提高支架刚度，减小随机振动应力值。
4 结论
本文介绍了基于MSC_Nastran的机载产品支架的随机振动仿真过程，并对支架模型进行了优化设计验证，此过程不需要物理样机，应用在产品研制改进阶段，有效缩短了研制时间，降低了研制成本。
参考文献：
[1]刘治虎，郭建平，杨龙. 某机载电子设备结构随机振动分析。
[2]罗成，徐文正，王云，曾晨晖. 航空电子产品环境仿真试验技术。
论文作者:张召娜1,金琳2
论文发表刊物:《科技研究》2019年4期
论文发表时间:2019/6/18
标签：支架论文; 频率论文; 厚度论文; 产品论文; 应力论文; 结构论文; 模态论文; 《科技研究》2019年4期论文;