正弦振动分析

这是 ANSYS 工程实战 第 24 篇文章

问题描述：正弦振动是行波管工作要经受的重要力学状态，在设计阶段需对行波管进行正弦振动分析，一般随机振动的强度高于正弦振动，正弦振动产生的应力远小于随机振动，但设计阶段的正弦分析也必不可少。

1.  模型结构

行波管主要模型结构如图1，包括底板，包装件，电子枪，收集极，高频等组件。

图 1 有限元模型

2.  有限元网格：

对整个模型进行 part 设置，对底板，包装件，电子枪，收集极，窗，极靴，连接环等分别进行网格大小设置，具体设置参考本人网格分析文章 Ansys Workbench 中的网格收敛及自由划分。

建议不要使用自由划分，一般自由划分对这样复杂的结构很难划分，特别是内部结构更复杂时，自由网格基本使用不了，划分后的有限元模型如下：

图 2 有限元网格

3  正弦分析模块导入：

在 ANSYS Workbench 中将 Harmonic Rrsponse (谐响应)分析插入到模型（Model）分析中，不能在 Solution 中插入，因为正弦分析不需要进行模态分析，否则会出现操作错误，具体插入如图 3。

图 3 正弦振动模块导入

4  正弦分析试验条件：

正弦振动的加载条件如表 1：

表 1 正弦振动试验条件

正弦条件包括两部分，一部分是 10-20 Hz，称为低频率段，一部分为 20-100 Hz，称为高频率段，高低频段需要单独进行计算，这里只进行高频段计算，计算频点如图 4。

图 4 计算频点

5  正弦分析设置：

正弦分析设置（Analysis Settings）：如图 5 最小频率 15 Hz，最大频率100 Hz，频率间隔 10 Hz，对于行波管来说，分析方法使用完全法（Full），不能使用模态叠加法（Mode Superpositon）。

图 5 正弦振动分析设置

使用完全法计算正弦振动的运算时间比随机振动的时间长的多，对于整管行波管的正弦振动分析，网格数量约 1007871，计算时间约在 10 小时左右一个方向。

 加载加速度要转换为 mm/s^2 单位，为 98000 mm/s^2，其中 g 取 9.8 m/s^2。

加速度方向要在几何模型中选定，具体方向与坐标系方向一致。如果出现导入图底板与坐标系不一致，或显示时图像出现倾斜，就要在三维软件中先导入底板，再进行组装，确保导入仿真软件后坐标系入底板坐标系一致。

6  结果分析：

正弦振动条件（鉴定级）施加在 X 向上（平行于振动台平面且沿垂直于行波管轴线方向），分析结果见下图 6 , 最大应力 7.4MPa，最大应力发生在底板与收集极处。

图 6 X 方向施加正弦振动条件时行波管应力

正弦振动条件（鉴定级）施加在 Y 向上（垂直于振动台平面），分析结果见下图 7所示, 最大应力 16.5MPa，最大应力发生在底板与散热片。

图 7 Y 方向施加正弦振动条件时行波管应力

正弦振动条件（鉴定级）施加在 Z 向上（平行于振动台平面且沿行波管轴线方向），分析结果见下图 18 所示, 最大应力 13.3 MPa，最大应力发生在底板与波导窗支架处。

图 8 Z 方向施加正弦振动条件时行波管应力

7  安全裕度

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。

行波管正弦分析时，在高频段 Y 方向振动时应力最大，最大 1σ 应力为 16.5Mpa, 其 3σ 应力为 49.5MPa，发生在最大应力发生在最大应力发生在底板与散热片，其材料为铝，查得的弹性极限为为 275MPa。

结构强度安全裕度为：

M.S=275/（49.5×1.35)-1=3.11>0

满足结构强度安全裕度设计要求。

特别说明：

正弦分析不需要进行模态分析，否则会出现操作错误。

正弦分析的分析方法有不同方法可以相互讨论。