XX设备振动、冲击及加速度分析报告

PAGE编号版本00.00阶段标记CXX设备振动、冲击分及加速度析报告共21页20XX年X月XX设备振动、冲击及加速度分析报告拟制：审核：批准：目次1. 范围 12. 规范性引用文件 13. 说明 14. 术语定义 14.1. 振动 14.2. 随机振动 14.3. 宽带随机振动 14.4. 窄带随机振动 14.5. 振动功能试验 14.6. 冲击 24.7. 冲击试验 24.8. 加速度 24.9. 功率谱密度（PSD） 24.10. 剩余强度系数 25. 振动与冲击环境载荷 25.1. 振动要求 25.2. 功能冲击要求 35.3. 加速度要求 46. 设备结构简介 47. 动力学建模 57.1. 坐标系 57.2. 单位制 57.3. 材料 57.4. 有限元模型 58. 振动模态分析 69. 振动功能分析 89.1. 振动加速度谱 89.2. 分析过程 89.3. 计算结果 89.4. 结果评估 1010. 功能性冲击试验分析 1010.1. 冲击加速度时间历程 1010.2. 分析过程 1010.3. 计算结果 1110.4. 结果评估 1311. 加速度试验分析 1411.1. 设备载荷 1411.2. 分析过程 1411.3. 计算结果 1411.4. 结果评估 1712. 分析结论 1713. 备注 17PAGE15范围本报告简要介绍了XX设备研制过程中，开展结构振动、冲击及加速度分析的具体实施过程，包括：动力学建模、振动模态分析、振动功能分析、功能性冲击分析及分析等内容。本报告在XX设备静强度设计的基础上进行结构振动、冲击及加速度分析，并为XX设备环境适应性设计报告的编写提供支持。规范性引用文件GJB150A-2009《军用设备环境试验方法》GJB150.15A-2009《军用设备环境试验方法第15部分：加速度试验》GJB150.16A-2009《军用设备环境试验方法第16部分：振动试验》GJB150.18A-2009《军用设备环境试验方法第18部分：冲击试验》说明术语定义振动物体或质点相对于平衡位置做振荡运动的现象。随机振动一种非确定性的振动，即对未来任意时刻的瞬时幅值不能利用此前的时间历程来预测，而只能用统计方法来描述。宽带随机振动频率分量分布在较宽频率范围内的随机振动。窄带随机振动频率分量仅分布在一个较窄频带内的随机振动。振动功能试验探索或评价产品的功能是否满足规范要求的振动试验，振动功能试验量值一般取产品在寿命期全功能正常工作时所预期的最大振动量值。冲击系统受到瞬态激励，其力、位置、速度或加速度发生突然变化的现象。冲击试验探索或评价产品承受冲击载荷能力的试验。加速度表示速度对时间导数的矢量。常用的有振动加速度、冲击加速度和离心加速度。功率谱密度（PSD）带宽趋于零时，单位带宽内随机变量均方值的极限。它是随机振动的一种频域表示。剩余强度系数材料的许用应力[σ]与结构在载荷作用下的工作应力σ之比：（1）振动与冲击环境载荷振动要求设备在承受规定的振动功能环境条件下能正常工作。符合性验证与评价：安装在某平台上的XX设备振动功能试验曲线见REF_Ref65525640\r\h图1；试验轴向：X、Y、Z三个轴向。试验时间：功能试验时间为每个轴向1h。安装在某平台上XX设备的振动功能试验条件功能冲击要求以确定XX设备在预期的冲击环境条件下，功能是否失灵，性能是否满足要求，结构是否产生残余变形、出现裂纹及其它机械损伤。符合性验证与评价：功能冲击试验波形为后峰锯齿波见REF_Ref65525657\r\h图2，试验方向为三个相互垂直轴±X、±Y、±Z共6个轴向，峰值加速度P为20g，冲击次数为每个轴向各3次（共18次）,冲击持续时间为11ms，两次相邻冲击的时间间隔不小于66ms。设备在经受功能冲击试验之时和之后应能正常工作。0.3D0.3DD0.05P0.05P0.15P0.3P0.2P0.07DP1.15P容差极限理想后峰锯齿波零点基准线XX设备冲击试验谱加速度要求XX设备在经受下表中规定的性能加速度量值之时和之后应能工作正常；XX设备在经受下表中规定的结构加速度试验量值之后设备应能工作正常，结构未出现裂纹、损坏和有害变形；承受REF_Ref65525615\r\h表1规定的坠撞安全加速度环境之后设备不脱落、与安装支架不分离以及不出现影响其附近设备工作的较大位移等。符合性验证与评价：设备的加速度性能试验和结构试验条件见表1；设备加速度性能和结构试验值试验类别试验量值（g）试验时间前后上下左右性能加速度2.62.57.5422每方向1min设备结构简介XX设备结构件由设备机箱、侧板、连接器、把手等组成，如REF_Ref65525677\r\h图3所示。XX设备安装在XX平台上，通过前紧定装置和后紧定装置进行固定。在三维图坐标系中，其重心位置坐标为（0.93，0.04，0.08）m，转动惯量分别为Iox=0.16kgm2、Ioy=0.02kgm2、Ioz=0.1551kgm2、Ixy=0.036kgm2、Ixz=0.005kgm2、Iyz=0.019kgm2。结构组成图动力学建模坐标系坐标原点为XX平台前端点在构造水平线上的投影点；X轴与XX平台构造水平线平行，逆向为正；Y轴垂直XX平台对称面，指向右弦为正；Z轴按右手法则确定。单位制为保证动力学模型的适用性、计算结果的准确性以及动态载荷的施加，统一采用如REF_Ref65525691\r\h表2所示的单位制。未列举参数的单位可由量纲分析所得。单位制名称质量长度时间频率弹性模量力压力单位千克毫米秒赫兹兆帕牛兆帕符号kgmmsHzMPaNMPa材料REF_Ref65525699\r\h7.4显示了建模中所用材料的力学参数。材料力学参数数据零部件材料牌号弹性模量EMPa泊松比μ密度ρkg/m3屈服极限σ0.2MPa强度极限σbMPa机箱5A06700000.332640155315侧板5A06700000.332640155315把手5A06700000.332640155315有限元模型这里采用ANSYSWorkbench软件建立有限元模型，以下分析也基于该软件。详细操作过程请参考ANSYSWorkbench帮助文档或相关教程。机箱、侧板、把手均采用实体模型。连接采用接触约束模拟。把手与机箱连接处采用固定约束。REF_Ref65525719\r\h图4显示了建立完成的有限元模型。模型共包含15390个节点，7332个单元。有限元模型示意振动模态分析模态分析是动力学分析中的基础，结构的振动特性决定了对于各种动力载荷的响应情况，同时模态分析有助于在其他动力学分析中估算求解控制参数等。在力学分析中，模态分析除了获取结构的固有频率以外还可以验证模型与实际结构及边界条件的吻合性。此外进行多阶模态分析的计算结果可以为以模态叠加为计算方式的随机振动仿真计算提供频域数据输入，达到压缩计算时间的目的。利用ANSYSWorkbench中的模态分析模块Modal计算有限元模型的固有频率和振型，REF_Ref65525731\r\h表4列出了前10阶固有频计算结果，REF_Ref65525740\r\h图5～REF_Ref65525748\r\h图8显示了前4阶振型图。可见，模型的第一阶固有频率为148.31Hz。模型前10阶模态频率阶次频率Hz阶次频率Hz1148.316718.012341.287653.053369.578742.44495.139859.885567.1710906.45第一阶振型第二阶振型第三阶振型第四阶振型振动功能分析随机振动分析是指结构在一些随机激励作用下，计算一些物理量如位移或应力等的概率分布情况。振动加速度谱随机振动输入和相应曲线一般用功率谱密度（PSD）画在对数纸上，垂直轴表示加速度单位平方每赫兹（g2/Hz），水平轴是频率（Hz），其振动加速度功率谱密度见图1，其中第一阶窄带峰值为0.3g2/Hz。分析过程首先采用模态分析模块Modal进行模态计算。在随机振动分析中选择使用全部模态解，进行相应PSD求解。建立单位加速度场，在约束节点处施加该单位加速度场。本文使用Beta阻尼和constantdamplingratio阻尼比。计算结果X向REF_Ref65525776\r\h图9显示了NormalStress应力云图。可见，均方根应力最大值约33.09MPa，出现在散热凸台位置。NormalStress均方根应力（X向）Y向REF_Ref65525785\r\h图10显示了NormalStress应力云图。可见，应力最大值约29.36MPa，出现在加强筋的位置。NormalStress应力（Y向）Z向REF_Ref65525796\r\h图11显示了NormalStress应力云图。可见，均方根应力最大值约52.57MPa，出现在加强筋的位置。NormalStress应力（Z向）结果评估REF_Ref65525807\r\h表5归纳了上述三种计算工况下剩余强度系数。可见，三个方向的剩余强度系数均大于1，满足振动功能强度安全要求。振动功能试验分析所得的剩余强度系数分析工况危险部位σRMSMPa3σRMSMPa屈服极限MPa剩余强度系数X散热凸台位置11.0333.091554.68Y加强筋的位置9.7929.361555.28Z加强筋的位置17.5252.571552.94功能性冲击试验分析冲击加速度时间历程采用后峰锯齿波模拟基础输入的冲击加速度时间历程。其冲击时间历程如图2所示。分析过程采用瞬态响应计算模块。±X、±Y、±Z六个方向均要计算。计算设置时，曲线中的每个拐角都应当作为一个载荷步，每个子步数为10。计算时间长度为33ms。模型约束同模态分析的设置。同样考虑系统阻尼，这里选择使用Beat阻尼。计算结果+X向提取应力最大时刻的应力计算结果，REF_Ref65525826\r\h图12显示了vonMises应力云图。可见，应力最大值约3.47MPa，出现在机箱与后紧定装置的连接位置。时域最大vonMises应力（+X向）-X向提取应力最大时刻的应力计算结果，REF_Ref65525835\r\h图13显示了vonMises应力云图。可见，应力最大值约3.47MPa，出现在机箱与后紧定装置的连接位置。时域最大vonMises应力（-X向）+Y向提取应力最大时刻的应力计算结果，REF_Ref65525843\r\h图14显示了vonMises应力云图。可见，应力最大值约3.32MPa，出现在加强筋位置。时域最大vonMises应力（+Y向）-Y向提取应力最大时刻的应力计算结果，REF_Ref65525866\r\h图15显示了vonMises应力云图。可见，应力最大值约3.32MPa，出现在加强筋位置。时域最大vonMises应力（-Y向）+Z向提取应力最大时刻的应力计算结果，REF_Ref65525851\r\h图16显示了vonMises应力云图。可见，应力最大值约6.02MPa，出现在加强筋位置。时域最大vonMises应力（+Z向）-Z向提取应力最大时刻的应力计算结果，REF_Ref65525903\r\h图17显示了vonMises应力云图。可见，应力最大值约6.02MPa，出现在加强筋位置。时域最大vonMises应力（-Z向）结果评估REF_Ref65525914\r\h表6归纳了上述六种计算工况下剩余强度系数。可见，6个方向冲击时的剩余强度系数均大于1，满足强功能性冲击强度安全要求。功能性冲击试验分析所得的剩余强度系数分析工况部位最大应力MPa屈服极限MPa剩余强度系数+X机箱与后紧定装置的连接位置3.4715544.67-X机箱与后紧定装置的连接位置3.4715544.67+Y加强筋位置3.3215546.69-Y加强筋位置3.3215546.69+Z加强筋位置6.0215525.74-Z加强筋位置6.0215525.74进一步比较振动功能试验分析、振动耐久试验分析和功能性冲击试验分析的评估结果可见，应力大的部位均位于机箱与后紧定装置的连接位置。加速度试验分析设备载荷XX设备在经受下表中规定的性能加速度量值之时和之后应能工作正常。分析过程采用静态计算模块。计算设置时，将性能加速度施加到设备上。计算结果提取应力最大时刻的应力计算结果，REF_Ref65525928\r\h图18-REF_Ref65525941\r\h图23分别显示了性能加速度在前、后、上、下、左、右的vonMises应力云图。性能加速度前向vonMises应力性能加速度后向vonMises应力性能加速度上向vonMises应力性能加速度下向vonMises应力性能加速度左向vonMises应力性能加速度右向vonMises应力REF_Ref65525953\r\h表7归纳了上述六种计算工况下剩余强度系