Ansys Workbench 随机振动分析

这是 ANSYS 工程实战 第 10 篇文章

问题描述：行波管固定不充分或支撑架固定位置不合理，在随机振动试验后，就会出现结构破坏，因此在结构设计初期利用 ansys 或 ansys workbench 对行波管进行整管力学分析可以找到薄弱结构和薄弱位置，通过多次仿真比对设计出满足安全裕度的强度结构，避免过渡关注结构减重而忽视了结构的强度。

1. 有限元模型及前期设置

案例模型行波管结构包括：电子枪，收集极，高频及保护支架等，支架选用 6061；模型整体设置一个 part ，用 Body sizing 设置各部件网格大小，并划分网格。

2. 模态分析

进行随机振动之前需要进行模态分析，8 个安装孔设置固定约束，在 Solution  中插入六个模态结果，模态分析一般取前六阶模态，分析各阶模型的振形情况，判薄弱位置，提高薄弱结构强度。

仿真计算得到前六阶模态：

一阶模态及振型：输出窗及支架沿行波管轴向摆动，一阶固有频率为 1644 Hz。在沿整管轴向施加随机振动条件时，应力最大发生在结构输出三通处，且在三通处容易发生破坏，因此需要加强输出端结构强度或固定结构强度，改变或转移一阶振型位置。 

二阶模态及振型：输出窗及支架扭转摆动，二阶固有频率为 1679.4 Hz。在 X, Y, Z 施加随机振动时，某个方向的振动会导致输出端应力超过结构强度，导致输出三通处应力太大而发生破坏，因此需要加强输出端结构强度或固定结构强度，改变或转移二阶扭转振型。 

三阶模态及振型：输入窗及支架沿行波管轴向摆动，三阶固有频率为 2073.9 Hz。在沿整管轴向施加随机振动条件时，输入三通的最大应力小于输出端最大应力。

一般情况下对一阶二阶振型做改进后，三阶振型的应力已经能满足结构强度，如果应力仍然不能满足安全裕度，用同样方法提高输入结构或固定结构的强度。 

四，五，六阶模态及振型：四阶振型是电子枪与输入结构沿轴向摆动，五阶振型是输出窗及固定发生扭转摆动，六阶振型是输入发生扭转和垂直轴向的摆动，固有频率分别为 2383.1 Hz， 2544.8 Hz， 2916.2 Hz。 

3.  随机振动分析

将 Random Vbration 拉到模态分析的 Solution公用 模态分析结果。

在 Random Vbration 插入 PSD G Acceleration 输入功率谱密度并输入随机振动的功率谱密度值，选择振动方向。

5. 随机振动结果分析

X 方向施加随机振动条件，最大应力发生在输出三通处，最大应力为 95.5 MPa。

Y 方向施加随机振动条件，最大应力也发生在输出三通处，最大应力为 107 MPa。

Z 方向施加随机振动条件，最大应力发生在输出三通处，最大应力为 19.6 MPa。

5. 裕度分析

根据《航天器电子产品可靠性设计》中航天电子设备结构设计基础中关于结构强度设计的内容安全裕度计算如下： 

其中，为需用应力，脆性材料取强度极限；其它材料取弹性极限。通常，准静态载荷的安全系数一般取 f≥1.5；振动载荷的安全系数一般取 f =1.2-1.35。

从三个方向的随机振动应力分析知，行波管最大 1σ 应力为 107 Mpa, 其 3σ应力为 321 MPa，发生在三通处，其材料为 NCu40-2-1，查得的弹性极限为161MPa，结构强度安全裕度为：

M.S=161/（321×1.35)-1=-0.63<0

结论：该结构不满足结构强度安全裕度设计要求，需对输出支撑架结构进行改进，如果通过改变支撑架的材料，要考虑支架的重量；

如果改变支撑架结构，支架的结构首先应能保证减小输出窗沿行波管轴向的摆动；其次减小输出窗的扭转摆动。