基于i-deas某船载机箱模态分析-张登材

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1、2007UFC中国用户论文集基于I-Deas的某船载机箱模态分析张登材张杰中国电子科技集团公司-1-2007UFC中国用户论文集基于I-Deas的某船载机箱模态分析张登材张杰中国电子科技集团公司摘要:借助于I-DEAS软件的强大功能，建立了某船载机箱的有限元模型，计算了机箱的模态，得到了机箱的前五阶固有频率和振型。结果表明：该机箱有足够的刚强度，满足设计要求。关键词:I-Deas机箱有限元模态分析1概述众所周知，船载电子设备长期在海洋恶劣环境下工作，高温、高湿、高盐雾的恶劣环境对船载电子装备的可靠性、设备寿命等破环极大。大量实践表明，采

2、用密闭机箱把电子装备密封起来能有效的防止潮气、盐雾、霉菌的侵蚀，是一种抗海洋恶劣环境的有效途径。因此船载密闭机箱越来越广泛应用于海军装备中。通常情况下，船上的设备都有比较严格的重量要求，为此船载机箱的材料常常选用材料比重较小的铝合金。根据国军标相关装备设计要求，机柜机箱骨架的一阶固有频率应在30Hz以上。此外，由于机箱采用铝合金材料制造，铝合金的强度、刚度都远不如钢材，在船载环境下，机箱要承受舰船行进过程中的颠震和导弹、炮弹发射时的冲击，这就要求机箱必须要有一定的刚强度，但又不能使机箱过重，因此在设计阶段就很有必要进行模态分析，得到机箱

3、的固有频率和振型，验证机箱是否满足刚强度设计要求。2常用的模态分析方法常用的模态分析方法主要有以下两种：2.1试验模态分析法试验模态分析法是针对具体试件进行正弦、随机或瞬态激振，获取试件传递函数数据，使用频域数字曲线拟合法或时域数字拟合法，对系统动力学模型进行优化识别，从而快速准确地将系统的动态特性（主要是固有频率和振型）测识出来。在产品的设计阶段，通常还没有实物样机用作试验模态分析，因此在产品设计阶段不能使用该方法。-2-2007UFC中国用户论文集2.2有限元分析法有限元法的基本思想是将实际连续的结构虚拟地分割成有限多个彼此通过节点

4、相联的单元体，并将结构的全部质量离散并聚集于单元体的结点上，从而将连续弹性体振动问题转化成多自由度系统振动问题，基于变分原理进行数学运算的分析方法。有限元法是工程中解决复杂问题的一种常用近似数值计算，随着计算机的发展和广泛使用，各种功能强大、效率高的有限元应用软件（如I-Deas,ANSYS,NASTRAN等）也不断丰富发展起来。在众多的有限元分析软件中，美国UGS公司开发的I-Deas软件，不仅具有强大的CAD、CAE功能，而且还可以直接从它的零件模型、装配模型自动生成多种有限元网格，快速建立有限元分析模型，提高建模效率，还可以保证C

5、AD和CAE模型数据的双向相关性。因此，本文采用I-Deas软件对机箱进行有限元模态分析，计算出其固有频率和振型。3I-Deas软件模态计算方法经离散化处理后，箱体的运动微分方程可表示为：MX&&+CX&+KX=F(t)(1)式中：Ｍ、Ｃ、Ｋ分别为总体质量、阻尼和刚度矩阵；X&&、X&、Ｘ分别为结构的加速度、速度和位移向量；Ｆ(t)为结构的激振力向量；根据振动理论，在计算固有模态时可以忽略阻尼的影响，若无外力作用，则得到系统的无阻尼自由振动方程为：MX&&+KX=0(2)其对应的特征方程为：2(K−ωM)X=0(3)式中：ω为系统的固有

6、频率。满足以上方程的频率ωr和对应的解Xr(r=1,2,…N)即为系统的固有频率和固有振型。在I-Deas软件中，求解模型的固有频率和振型主要有Lanczos法、Guyan法和同步矢量法(SVI)。Lanczos法是一种较新的方法，对用户的输入要求较少，求解效率高，特别适用于求解大型结构问题的前几阶模态；Guyan法是解决动力学问题的一种古典方法，它通过选择一组主自由度，将问题简化到这组自由度上，求解缩减矩阵，然后将模态扩展到其它的自由度上,计算的精度取决于模型中主自由度的选取；使用同步矢量法时在边界条件设置中-3-2007UFC中国用

7、户论文集要加入运动自由度，它的精度虽然不取决于用户的判断，但计算时间比较长，效率较低；针对机箱的具体结构形式和求解要求，我们选用Lanczos法来求解机箱的前5阶模态。4机箱的模态分析前视后视图1机箱结构示意图图1所示的机箱是为在海洋环境下使用的机箱，在它的前部装有三个测向天线阵，后面是维修门，左右侧分别装有一个微波射频前端，上面装有一个全向天线，机箱内装有一些电子设备，底部通过10颗M10的螺栓固定在转台上。它采用铸造铝合金整体铸造成型，外形尺寸较大，长和宽都是740mm，高1000mm，机箱重47.8Kg，其壁厚最薄处为5mm。表1

8、机箱材料性能表3材料密度（kg/m）弹性模量（Pa）泊松比抗拉强度（Pa）3108ZL1042.65×107.1×100.322.3×10-4-2007UFC中国用户论文集在建立机箱有限元模型时，先要建立材