舰用铸铝密闭机柜的刚强度设计

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1、舰用铸铝密闭机柜的刚强度设计 沈文军　　(南京电子技术研究所，江苏南京210013)    摘 要：针对我所新型舰用铸铝密闭机柜的研制，对于机柜的刚强度设计在理论上进行了定性分析，结合计算机仿真进行了定量分析，对机柜的刚强度进行了优化设计，为同类机柜的研究打下了坚实的基础。 关键词：铸铝密闭机柜；刚度；强度；模态 1概述   舰用铸铝密闭机柜是我所针对某大型舰载雷达而自行研制开发的新一代电子设备载体，具有很强的抗海上和舰船恶劣环境的能力。铸铝密闭机柜如图1所示，它是由骨架、前门、后门及机柜附件组成。目前该机柜已在产品中被大量使用。   由于铸铝机柜使用铸铝，其材料强度、

2、刚度都远不如钢板，在舰载环境下，既要保证设备安装所需的刚强度，又不能使骨架过重，因此要进行详细的模态分析及计算机仿真计算，在本次设计中将对机柜的刚强度同时进行优化，结合机柜的重量指标及可加工性，寻求最佳平衡点。2设计目标   根据海装电子部的《舰艇电子设备抗恶劣环境实施指南》中提出的层次结构设计理念，要求机柜骨架一阶固有频率在30Hz以上，各处结构件的应力在材料的许用应力内并留有足够的安全系数（n≥1.5~2），并尽量优化结构，减轻机柜骨架重量。 　3机柜骨架模态分析3.1理论分析   当一个线性振动系统按其自身某一阶固有频率作自由振动时，系统都具有确定的振动形态(简称振型或

3、模态)，这是系统本身固有的动态特性，由其自身的结构和材料特性决定。描述这种振动形态的向量称为模态向量。模态分析的实质是一种坐标变换，其目的是使方程解耦。通常只需取前几阶模态叠加便可达到足够的精度。以无阻尼多自由度系统为例，   具有n个自由度的无阻尼自由振动方程为：   公式(2)有非零解的条件是：位移阻抗矩阵〔Z〕=〔K〕-的行列式为0，即：      det(〔K〕-)=0即系统的特征方程或频率方程。令：〔Φ〕=〔{Φ(1)}，……，{Φ(n)}〕，特征向量{Φ(1)}、……、{Φ(n)}为系统的各阶主振型。得到：其中：式中：αi——正则化因子；          

4、{ΦN(i)}——i阶正则振型；          N——正则化后的参数脚标。对于有阻尼多自由度系统运动方程可简写如下：则   由式(5)、(7)可导出n个相互不耦合的二阶常微分方程：   第一项是ri(t)引起的强迫振动项，第二项是在一定初始条件下的系统自由振动项。   当仅关心结构由外载荷激发的振动时，通常不计第二项。   当结构受到形如{Q}={Q0}sinωt的简谐激励时，上式解为：其中：   求出每个振型响应后，将1-n阶振型进行叠加即可得到每个节点位移值。   在处理较为复杂的结构中，从理论较精确的计算模态参数是比较困难的，因此这种方法必须结合现

5、代设计手段——计算机仿真才能充分发挥其优越性。3.2有限元分析软件——Simulation   有限元分析采用I-DEAS软件下的Simulation模块进行,它包括前处理（Pre-Processing）、求解（Solution）、后处理（Post-Processing）。3.3机柜有限元模型的建立3.3.1有限元模型的处理   任何实际结构问题都是空间问题，原则上都能用三维问题来解，但计算量大，因此应将实际结构简化为合理的模型进行有限元分析。结构模型的简化可分为以下几个问题：3.3.1.1降维问题       1.结构的某一部分由仅由其不同方向的尺度比确定，而与尺寸

6、及约束无关的降维。   （1）板、壳单元：构件某一方向尺寸比另外两个方向小得多。   （2）梁构件：构件在某两个方向的尺度比第三个尺度小的多。       2.与几何形状和边界条件(载荷约束条件)均有关的降维。包括平面应力问题、平面应变问题、轴对称问题。3.3.1.2组合结构连接问题   实际结构的多种单元体的连接可分为强连接和弱连接。强连接有三种：三维单元通过二维界面连接；二维单元通过一维界面连接；一维单元通过边界点连接。弱连接有三种：三维单元通过界线连接；二维单元通过界点连接；二维单元通过边界点连接。3.3.1.3利用对称性和反对称性的条件   如果模型和载荷都是对

7、称的，可以通过施加合适的边界条件，使得在半个模型的对称面上的位移与在整个模型情况下相同，这样不仅模型的尺寸可以减小一半，带宽也可以比较小，计算的效率将有很大的提高。如果仅是模型和零位移支撑条件是对称的，载荷和非零位移约束为反对称，也可利用反对称条件进行简化但要注意是否丢掉主要的特征频率。3.3.1.4材料的编制   在单元划分之前，应该先将模型所需要的材料特性参数建立起来。在本例计算中则需将ZL101材料的特性参数（如弹性模量，切变模量以及泊松比）赋予模型。正确进行单元划分