DOI ： 10. 19659/j. issn. 1008-5300. 2019.04. 007
老抒机械工茲
Electro-Mechanical Engineering
•环境适应性设计_
某大型舰船显控台振动仿真分析研究#
赵金鹏
(江苏自动化研究所，江苏连云港2220〇6)
摘要：大型舰船显控台结构形式复杂，在前期设计阶段就要考虑结构强度是否满足舰船电子设备环境 适应性的要求。为节约试验成本，缩短研发周期，文中针对某大型舰船显控台的结构形式，运用ANSYS
有限元分析软件，建立了有限元分析模型。通过加栽真实使用环境下的振动条件，对显控台进行了自由 模态分析和约束模态分析，在此基础上获得了显控台的固有频率和振型，并对显控台整体刚度较弱的频 率段进行了设计改进，以达到满足环境适应性要求的目的。该仿真分析可为同类型产品的设计提供科 学、准确的依据。关键词：显控台；有限元；模态分析;仿真分析中图分类号:TP391.9
文献标识码：A
文章编号：1008-5300(2019)04-0027-04
Research on Vibration Simulation Analysis of Large Ship Display Console
ZHAO Jin-peng
(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222006, China)
Abstract： The main structure of the display console for large ships is complex, so it is necessary to consider
whether the structural strength meets the environmental adaptability requirements of ship-bome electronic equipment at early design stage. In order to save the test cost and shorten the research and development cycle, the finite element analysis model is established by finite element analysis software ANSYS for the display console structure of a large ship. By loading the vibration conditions in the real environment, the free mode analysis and the constrained modal analysis for the display console are carried out. On this basis, the natural frequency and vibration mode of the display console are obtained. And the frequency segment with weak overall stiffness of the display console is improved to meet the requirements of environmental adaptability. This mechanical simulation can provide scientific and accurate design consideration for the same type of products.
Key words： display console； finite element； modal theory analysis； simulation analysis
引言
大型舰船显控台是安装在水面舰艇上由操作人员 操控的重要船用电子设备〜2],在实际工作中不可避 免地会受到振动和冲击等各种外界机械力的作用，因 而必须具备足够的强度和刚度，以满足舰船电子设备 严格的环境适应性要求。同时舰船电子产品的研发也 面临着研发周期短、环境适应性能要求高、结构复杂等 问题,若以传统的经验设计+试验验证的方法研制，不 仅费时费力，而且还难以获得准确而系统的科学依据, 因此CAE等现代化辅助分析手段必不可缺。
文中运用有限元分析软件ANSYS对某大型舰船 显控台结构进行了动力学仿真分析，模拟真实环境下 显控台结构件的承载受力过程，详细了解显控台的主 体结构和主要部件的刚强度情况，通过仿真+优化+改 进的方法，检验大型舰船显控台的结构设计是否满足 环境适应性的要求，为后续大型舰船显控台的工程设 计提供理论依据。
1舰船显控台有限元建模
大型舰船显控台是一个复杂的结构部件组合体，
为了对其进行力学特性分析，建立有限元分析模型，在
收稿日期:2019-05-18
.27 •
•环境适应性设计•电吝机裱工趕2019年8月
建模过程中重点研究对显控台整体性能影响较大的背 板、操作台、机箱、海图等部件，对显控台整体性能较小 的部件适当进行简化。
运用UG三维软件建立显控台三维模型，将三维 模型导入Hypermesh分析软件，对显控台进行网格划 分，如图1所示。模型整体采取铸铝的方式铸造，其材 料参数如下：弹性模量£为74 000 MPa，泊松比为 0.33,密度为3xl(T9 t/mm3,结构整体的结构阻尼为 0.3。对于简化部位用集中质量（Mass)代替，其中液 度矩阵，Af和/i：通常是实对称矩阵，C为非对称矩 阵[5~7] ;U
、A：分别为系统各点的位移向量、速度向
量、加速度响应;F⑴为激励向量，《为时间。
在结构阻尼、比例阻尼或小阻尼情况下，系统的阻 尼矩阵被近似对角化，式（1)可以简化为：
MX + KX = F(t)
(2)
若结构没有外力载荷，即式（2)右端为零，则可以 进一步简化为无阻尼的多自由度系统的自由振动微分 晶显示屏每个28 kg，共2个;插箱左、右各一个，质量 分别为25 kg、15 kg;右侧柜门内有3个加固机，每个 质量均为15 kg;电缆分布于显控台的各个部位，根据 实际情况将简化质量分为背板上2个10 kg的集中质 量；台面下端1个，集中质量为30 kg;右侧柜门内电缆 质量为15 kg。根据几何模型赋予网格厚度，使简化后 的有限元模型总质量与实际质量相同。
图1
显控台有限元模型
在网格划分过程中对同一组件的处理采用“node to node”的结点融合法，该方法把零件连接处的2个结 点融合为1个结点，这2个结点具有相同的自由度;对 不同组件的处理采用RBE2的刚性连接法，该方法不 对螺栓进行进一步的受力分析，利用这种连接方法能 够减少模型的自由度,降低建模的复杂程度，节省计算 时间，可快速地对整体模型作定性、定量分析，以了解 显控台的频率、振型、应力以及变形的分布。
2舰船显控台模态分析理论
对舰船显控台进行模态分析主要是为了获取显控
台的固有频率和振型，了解显控台的结构动态特性，判 断显控台模型的力学特性是否与实际环境需要相吻 合，从而发现结构上的薄弱环节，为进一步分析和改进 提供理论依据。
设有一个/v自由度的线性系统，其运动方程为：
M X + C X + KX = F(t)
(1)
式中:分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵及刚• 28 •
方程：
MX + KX = 0
(3)
假设结构做简谐振动，其振动形式为：
X = 式中 > 为振型矩阵;w为固有频率。 代人式(3)得： (K - = 0 (5) 结构的刚度矩阵A：和结构的质量矩阵M为/1阶 方阵，所以方程(5)有〃个解，由此可得结构的阶固 有频率： ^ ^ (〇3 (6) 对于每一个固有频率，都可以由式（5)求得泠= [A,小2，…，也]T,这在工程上称为结构的固有振型[8] 〇 3舰船显控台自由模态仿真分析 通过仿真分析计算，选取大型舰船显控台的前6 阶模态进行分析，见表1。 表1 大型舰船显控台自由模态分析结果 阶数 频率/Hz模态类型振型描述 130.2局部模态机箱底板沿z轴弯曲235.8整体模态背板上部沿x轴方向 前后摆政345.5整体模态整体绕*轴扭转476.5整体模态整体绕*轴扭转587.9局部模态机箱底板绕：>•轴扭转6 93.6 整体模态 机箱底板绕y轴扭转， 机箱中板绕％轴扭转 在表1所列的6阶模态中，第1阶模态和第5阶模 态为台面底板的局部扭转模态，对显控台的整体性能影 响较小;第2阶、第3阶、第4阶等高阶模态是背板、台 面和海图的整体振动模态,对布置于显控台内部的电子 设备影响较大，在显控台动态特性分析中,需重点关注。 第35卷第4期赵金鹏:某大型舰船显控台振动仿真分析研究•环境适应性设计• 图2 ~图5为显控台的自由模态仿真分析云图。图5第6阶自由模态 由表1和图2 ~图5可知：1) 在第2阶自由模态下，背板上部的显示部位沿 x轴方向前后运动，在该频率下会对显示骨架造成外 部的机械挤压，影响显示器的正常工作； 2) 在第3阶、第4阶自由模态下，会对显控台背板 单元骨架造成机械挤压，同时海图的前部和操作台面 的前部也会产生较大的位移； 3) 在第3阶、第4阶和第6阶自由模态下,机箱底 板和中板有较大的运动幅度，会破坏安装在机箱内部 的电子设备；4) 在第1阶模态和第5阶模态下，在F轴方向和 Z轴方向机箱底板均会形成扭转和弯曲，进而影响机 箱内部设备的正常工作；5) 显控台第1阶模态的频率为35. 8 Hz,整体刚 性较好，在同类显控台中处于较高水平； 6) 显控台第2阶、第3阶、第4阶和第6阶整体模 态的频率在100 Hz以下，在这几个频率范围以内，显 控台受外部激励的影响较大。 4舰船显控台约束模态仿真分析 在对大型舰船显控台添加约束时，主要对底部11 处和背部4处安装减振器的位置施加位移约束。其中 底部安装减振器的位置约束为6个自由度，背板部位 则根据减振器的工作原理，其位置约束分别为1个、2 个、4个、5个自由度，使背板可以在z方向上下运动, 同时可以绕y轴转动。经过计算，去除模态计算中的 局部模态，给出约束模态的前6阶结果，见表2。 表2 显控台约束模态分析结果阶数频率/Hz模态类型振型描述 150. 1整体模态整体沿y轴方向左右摆动256.6整体模态机箱沿背板沿X轴方向前后摆动， z轴方向上下摆动396.3整体模态沿Z轴方向上下摆动， 同时绕X轴旋转4105.5整体模态整体绕％轴扭转5114. 1整体模态整体绕;C轴扭转 6 124. 1 整体模态 整体沿Z轴方向上下摆动 表2列出了去除约束模态中局部模态的前6阶频 率。由表2可知，约束模态和自由模态有一定的区别， 约束模态的振型如图6 ~图8所示。 图6 第1阶约束模态 • 29 ■ •环境适应性设计•舍5机械工超 1) 2019年8月 在自由模态下，显控台在第1阶模态频率下的 整体刚性较好，显控台在第2阶、第3阶、第4阶和第6 阶模态频率下受外部激励的影响较大； 2) 在约束模态下，显控台在第1阶和第2阶模态 图8 第4阶约束模态 由表2和图6~图8可知：1) 显控台第1阶模态出现在50. 1 Hz,其振动主 要为海图和操控台沿x轴前后摆动； 2) 显控台第2阶模态出现在56. 5 Hz,其振动主 要体现在机箱沿x轴方向前后摆动，背板沿z轴方向 上下摆动； 3) 显控台在第3阶模态、第4阶模态频率段下，控台、海图、机箱单元的隔板和底板沿z轴方向的振动 幅度较大，其中第3阶模态下的操控台最大振幅达到8.5 nun，第4阶模态下机箱底板和内部隔板沿2轴方 向最大振幅达到5.7 mm; 4) 显控台在高阶模态的频率段下，其振动主要体 现为显示骨架的扭动和操控台沿z轴方向的振动，显 示骨架的扭动幅度为2.1 mm,操控台沿2轴方向的振 幅为 10. 1 mm。 5结束语 本文对某大型舰船显控台进行了有限元建模和模 态理论分析，运用自由模态仿真和约束模态仿真相结 合的方法对舰船显控台进行了仿真分析，结果如下： • 30 • 频率下整体刚性较好，显控台在第3阶、第4阶、第5 阶、第6阶模态频率段下受外部激励的影响较大，在第 3阶和第4阶模态频率下机箱底板和内部隔板沿2轴 方向出现大幅波动，在第5阶和第6阶模态频率下显 示骨架出现大幅扭动； 3) 在对大型舰船显控台进行总体设计时，要加强 显示骨架、机箱底板、内部隔板和操控台正前方等薄弱 部位的强度和刚度设计，然后进行仿真分析，对底部隔 振器和背部隔振器进行合理组合，避开大型显控台受 外部激励影响较大的频率段。 参考文献 [1] 孙帆.机载碳纤维显控台的设计研究[D].南京：南京 理工大学，2013. [2] 谭亮.船载情报指挥控制台的系统设计[C]//2015年 CAD/CAM学术交流会议论文集.2015: 177-184. [3] 梅真，郭子雄.磁流变阻尼减振结构振动台试验与动力可靠性分析[J].湖南大学学报（自然科学版），2017, 44 (7) ： 41-48. [4] 严宏.基于拓扑优化的某机载显控台轻量化设计[J]机械与电子，2016, 34(11): 22-25. [5] 杨玉光，周吉，李齐兵.某机载显控台结构的有限元分操 析[J].电子机械工程， 2016, 32(4): 62-64.[6] 孙帆.某碳纤维显控台结构动力学仿真分析及优化[J]. 电子机械工程，2015, 31(4): 57-59. [7] 梅真，侯炜，郭子雄.黏滞阻尼减震结构振动台试验与动力可靠度分析[■!].振动与冲击，2018, 37(3): 136- 142. [8] 航:談，孙帆，沈文军.直升机载显控台设计与试验[J]. 电子机械工程，2015, 31(1): 39-45. 赵金鹏（1989—)，男，硕士，工程师，主要从事电 子设备与显控台总体设计、结构设计与电气测试工作。 . 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容