某船用电子显控台的动力分析

作者：信息产业部电子第二十研究所 江坚

欢迎访问e展厅 展厅 7 船舶/港口设备/海洋工程展厅 游艇, 橡皮艇, 港口起重机, ... 摘 要：应用有限元法，建立了某船用电子显控台的有限元模型。通过模态分析计算，得到了其各阶振型和固有频率，并根据计算结果对其抗振性作了分析。其中的某些结论对工程设计有一定的参考价值。 关键词：电子显控台；有限元法；模态分析 1 引言 电子显控台作为船用电子设备，在实际工作环境中不可避免地会受到振动和冲击等各种机械力的作用。它们轻则会引起电子显控台工作状态的不稳定，重则会导致整个设备的损坏。因此，抗振缓冲设计是船用电子显控台结构设计的一项重要内容。目前，在对船用电子显控台的抗振性设计上，各工程研制单位已经掌握了一些较为可行的设计方法，但总体来看仍停留在经验设计上，对电子显控台的抗振性设计进行较完善的理论分析，某些设计方法和试验手段，也缺乏理论依据。譬如，工程应用中，对电子显控台抗振性的最终检验主要是靠例行试验。而一般情况下，电子显控台在做振动试验时，都将测试传感器放在刚性较好的机柜的外部。实际上，通过这种方法测得的试验数据只能反映电子显控台的整体振动情况，对于其内部结构件的抗振性能并不能真实地加以反映。事实上，电子显控台的内部结构较为复杂，其中的元器件数量至少也有几千个。并且，其内部各机械结构件的刚性差别也很大。如果某些部件的刚性不好，以后这些部件产生的振动就有可能引起安装在其上的电子元器件的疲劳损坏，导致设备无法正常工作。 因此，通过理论分析的方法较深入地了解机柜及其内部各主要部件的刚度情况对电子显控台的结构设计有着积极的指导意义。本文应用有限元方法对某电子显控台进行了建模及模态分析计算，最后根据计算结果对其抗振性进行了分析。 2 电子显控台的结构形式 本文分析的电子显控台是海军某舰载战术台，共由四个分机组成，自上而下分别为光栅扫描显示器，操作控制台，接收机和计算机。其中光栅扫描显示器，接收机和计算机均为插箱，可由安装于机柜内部的导轨拉出，以便于维修。操作控制台为一独立部件，与机柜由螺钉紧固联接。 该电子显控台的机柜采用了目前海军舰艇安装设备中较常见的一种铝合金铸造的板式结构形式。这种机柜的骨架主要由顶盒、底座、左侧板和右侧板四部分组成。它们各自均采用铝合金铸造，经过机械加工成形。最后用12枚M12的螺钉分别将两个侧板与顶盒、底座刚性联接成一体组成机柜，如图1所示。这种结构形式的主要特点是强度好、刚性大，机柜外部平整、美观且加工性好，适用于军用产品的单件、小批量生产。 电子显控台的三个插箱均由铝合金板拼接而成。三个插箱的重量分别为：上插箱65kg，中插箱8kg，下插箱20kg。操作控制台为铝合金铸造结构，重量14kg。另外，上插箱与中插箱之间，中插箱与下插箱之间装有托线板。托线板由2mm厚的轧制薄钢板制成，四周均有翻边，左右两侧分别与机柜的左、右侧板用螺钉紧固。机柜背部装有后盖板。后盖板同样为厚度2mm的钢板制成，中间设计有加强筋，四周靠螺钉与机柜骨架相连。 电子显控台的总重量为260kg，共选用了六只国营612厂生产的GF型亚震牌复合阻尼隔振器。其中四只装于机柜底部，额定载荷为700N，两只装于机柜背部偏上位置，额定载荷为500N。电子显控台外形如图2所示。 3 电子显控台有限元模型的建立 如前所述，电子显控台主要由四个分机及机柜骨架组成。本文在建立有限元模型的过程中，力求保持原结构的几何特点，提高分析力学模型的真实性。为此遵循质量及惯量等效原则，将电子显控台简化为具有梁、杆、板单元的组合结构。简化后的电子显控台的有限元模型共有593个节点，3558个自由度，15组单元。有限元模型如图3所示。 4 电子显失台结构模态分析 将上述数据准备好后，用有限元分析软件进行模态分析计算，截取前100阶固有频率和振型。其中的一些典型振型如图4所示。通过对振型图逐个分析，可以得出电子显控台各阶模态所对应的变形位置及频率范围（如表1）。 5 电子显控台的隔振效果分析 经过上述模态分析，截取了前100阶主模态，其频率范围为2.38～113.8Hz，具有频率密集特征。由振型图及表1可看出，电子显控台的第1～8阶模态（频率范围2.38～8.3Hz），对应隔振器的变形，证明该复合阻尼隔振器的固有频率较低，对于电子显控台的防冲击性能有利。根据隔振传递率的基本理论，隔振器对低于8.3[KF(]2[KF)]Hz的低频基础激励没有隔振作用，对高于8.3[KF(]2[KF)]Hz的激励才有隔振作用。其中减弱的高频振动，仍会使插箱、托线板等结构形成局部谐振。对此类具有固有频率密集特征的结构尤其应当引起注意。因此在进行抗振性设计时，应充分利用阻尼来抑制谐振的产生。（实际上，该隔振器在共振区的阻尼非常大，基本上能够保证放大倍数小于3）。 电子显控台的第9～18阶模态（频率范围11.9～17Hz）对应于其机柜内部托线板及上插箱的变形。它们的固有频率较低，刚度较差。其原因在于托线板由2mm厚的轧制薄钢板制板，面积较大，约为620mm×500mm，且中间没有布置加强筋。而上插箱与中插箱、下插箱相比，其体积和质量均较大，故刚性较弱。 第22阶模态对应于后盖板的变形，其固有频率为25Hz。尽管后盖板与托线板均由2mm厚钢板制成，但由于后盖板上布置有加强筋，使得其刚度大大提高。其对应模态的固有频率较托线板对应模态的固有频率提高了13Hz。由此可以看出加强筋的使用在提高机械结构件的刚性上有着重要的作用。 顶盒的变形对应的模态数大于27阶。其对应模态的固有频率大于30.9Hz。底座、侧板、操控台等的变形对应的模态数大于39阶，其模态对应的固有频率大于41.5Hz。此类构件刚性的提高很大程度上同样依赖于其壁上布置的纵、横交错的加强筋。 综合以上分析，可以得出以下结论： （1）在对船用电子显控台进行抗振性设计时，要充分注意隔振器的选取。只有选择了性能优良的隔振器，才能保证电子显控台在各种频率范围内的正常工作。由于GF型复合阻尼隔振器的固有频率较低，且其在低频共振区的阻尼较大，因此是一种目前船用电子显控台可选用的性能较好的隔振器。 （2）本文分析的电子显控台采用铝合金铸造形式的机柜，刚性较好，其骨架部分对应模态的固有频率在30Hz以上。电子显控台内部的托线板和上插箱的刚性较差，对应模态的固有频率大约在17Hz以下，需要采取措施提高刚度。譬如可采用在托线板及上插箱各板上设置加强筋的方法来实现刚度的提高。 参考文献 1 师张阿舟，姚起航等. 振动控制工程. 北京：航空工业出版社，1989, 12～13 2 戴德沛. 阻尼技术的工程应用. 北京：清华大学出版社，1991, 157～158 3 甘舜仙. 有限元技术与程序. 北京：北京理工大学出版社, 1988, 243～299 4 勾厚渝. 复合阻尼隔振器. 噪声与振动控制. 1986, 8(4)：20～27 5 国营612厂. 亚震牌复合阻尼隔振器产品说明书. 1994(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/13/2005)