航空航天——极端工况下薄壁箱体力学性能分析及结构优化.pdfVIP

极端工况下薄壁箱体力学性能分析及结构优化 Mechanics Property Analysis and Structure Optimization of Thin-wall Box Worked in Rugged Environment 王延忠, 刘旸, 陈燕燕,唐文,王段,张炜 Yanzhong Wang, Yang Liu, Yanyan Chen, Wen Tang, Duan Zhang, Wei Zhang 北京航空航天大学 Beihang University 摘要: 薄壁箱体在复杂大冲击、振动等极端工况下容易出现扭转和弯曲无规则变形，对内部 元器件工作性能造成影响，箱体的静动态力学性能直接影响其结构强度和刚度。采用有限 元方法建立箱体的有限元静动力学模型，用Abaqus 软件对箱体结构进行动态力学性能分析， 实现在设计阶段对箱体动态响应的预测，取代传统的样件试验考核从而缩短产品研制周期。 然后对箱体进行结构优化设计，使其结构更为合理。 关键词:薄壁箱体，有限元法，模态分析，动态响应，结构优化 1. 简介 探测器是侦查设备的关键核心器件，其探测精度是制约探测器整体水平提高的重要因素。 探测器的探测精度、结构可靠性受工况因素影响大。探测器箱体结构的工况极端复杂恶劣， 振动冲击多，其固有特性对系统的动态响应及振动形式有重要影响。 箱体抗振性能提高与结构减重设计对于提高探测器的探测精度与实现轻量化设计要求有 重要作用。本文针对探测器薄壁箱体，建立了有限元静动力学计算模型，运用Abaqus 软件 求解，得到箱体固有频率和振型以及在冲击载荷工况下的应力、变形情况，并对箱体进行 减重设计，在保证探测器箱体强度和刚度的前提下，尽可能降低整备质量，使箱体结构更 为合理。 2. 探测器箱体FEA 建模 2.1 薄壁箱体的结构 探测器箱体的结构简化模型如图 1 所示，为减小有限元分析计算规模缩短计算时间，已 经对箱体结构进行了适当的简化和修改。具体修改的原则如下： （1）探测器箱体本体与箱体盖刚性连接，不考虑接触面的相对变形，即整个箱体作为 一个整体进行分析。 2016 SIMULIA 中国区用户大会1 （2 ）忽略箱体盖上部分受载很小或影响甚微的局部结构，如手柄、旋钮和某些凸台。 （3 ）调整细小的面、线的最小网格尺寸或单元数目，以适应有限元网格的划分条件， 避免局部网格过密。 图1. 简化后箱体模型. 2.2 有限元网格的划分 在Abaqus 有限元软件中定义材料属性，箱体本体所选材料为铸造镁合金ZM5 ，取弹性 模量为E 41000MPa ，泊松比 0.34 ，密度 1.8110-9 t / mm3 ，屈服极限157MPa ； 箱体盖材料为变形镁合金MB8 ，弹性模量E 42000MPa ，泊松比 0.34 ，密度  1.8110-9 t / mm3 ，屈服极限为157MPa。 （1）单元选取。Abaqus 提供了庞大的单元库，为用户提供了一套强有力的工具以解决 多种不同类型的问题。在实际工程问题中，像箱体这样的结构形体复杂，且有多处圆弧边 界，必须按照空间问题求解。空间问题节点自由度多，需要分割的单元数量多，因此计算 量较大。在空间问题中对计算对象边界拟合的能力较强的是四面体单元，在此选择四面体 单元C3D10 进行网格划分。C3D10 是一种10 节点二次实体单元，分析精度较高。 （2 ）网格划分。对模型进行多次不同精度和尺寸的自由网格划分，综合考虑网格的疏 密、单元数目多少以及网格的质量、计算机的硬件配置、计算所需时间，最终确定箱体的 网格如图2 所示，单元数目为74850，节点数为136120。 箱体与箱体盖采用螺栓紧密联接，本文采用束缚（Tie ）约束将箱体与盖的接触面束缚 在一起，使两者保持一致的运动与变形。 2 2016 SIMULIA 中国区用户大会 图2. 箱体的网格模型. 2.3 定义边界条件 为了能够反应箱体的实际状态，研究了箱体的约束模态，即箱体的边界条件取为箱体安 装面全约束