航空機(jī)載溫度傳感器振動特性分析論文
摘要：文章采用有限元仿真分析軟件ANSYS對某型航空機(jī)載溫度傳感器在隨機(jī)振動載荷下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，從而完成對結(jié)構(gòu)的可靠性評估。根據(jù)有限元和隨機(jī)振動相關(guān)理論，結(jié)合仿真分析結(jié)果，該型溫度傳感器在承受規(guī)定的隨機(jī)振動載荷時，安全系數(shù)高，該結(jié)構(gòu)具有足夠的抗振強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)可靠性穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；隨機(jī)振動；有限元仿真；ANSYS
1概述
航空機(jī)載傳感器所經(jīng)受的工作環(huán)境極為惡劣，在相當(dāng)短的時間內(nèi)會經(jīng)受相當(dāng)大的隨機(jī)振動載荷，從而引起很大的交變應(yīng)力，振動疲勞損傷非常嚴(yán)重[1]。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段，采用隨機(jī)振動理論對產(chǎn)品及各零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動特性仿真分析，找出各設(shè)計參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響規(guī)律，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證傳感器在整個任務(wù)階段不出現(xiàn)疲勞破壞。文章針對某型航空機(jī)載溫度傳感器進(jìn)行了基于ANSYS的有限元振動疲勞仿真分析。通過計算隨機(jī)振動的峰值應(yīng)力值來對結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行考察，通過在共振頻率點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)來計算隨機(jī)振動的峰值應(yīng)力，比較峰值應(yīng)力與材料的'屈服極限的大小來考察結(jié)構(gòu)的可靠性[2]，判斷結(jié)構(gòu)的抗振強(qiáng)度及薄弱位置，以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)劣，為結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和提高結(jié)構(gòu)的可靠性提供依據(jù)。
2溫度傳感器產(chǎn)品概述
2.1產(chǎn)品功能
傳感器安裝在燃油控制裝置殼體內(nèi)，用于測量流經(jīng)燃油控制裝置內(nèi)的計量燃油溫度，并將燃油溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斔偷诫娮涌刂破鳌?/p>
2.2產(chǎn)品組成
傳感器主要由感溫元件（1）、外殼（2）、套管（3）和蓋（4）等構(gòu)成。
3振動特性仿真分析
3.1有限元計算前處理
3.1.1有限元模型的建立
根據(jù)溫度傳感器的設(shè)計圖紙、裝配關(guān)系和CAD數(shù)字樣機(jī)建立有限元模型，對不影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的刻字、導(dǎo)線、裝配螺紋等特征進(jìn)行簡化，對其他特征進(jìn)行詳細(xì)建模。傳感器幾何形狀較為復(fù)雜，為保證足夠的分析精度，重要部位盡量細(xì)化網(wǎng)格，共劃分了41023個單元，72901個節(jié)點(diǎn)。
3.1.2傳感器材料參數(shù)的設(shè)定
傳感器的套管、外殼、蓋等零件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。
3.1.3傳感器約束設(shè)定
根據(jù)實際安裝情況，傳感器通過外殼零件上的安裝螺紋與燃油控制裝置殼體上的安裝孔相連，因此需對安裝螺紋面施加固支約束。
3.2有限元計算結(jié)果及分析
3.2.1模態(tài)分析
模態(tài)分析用于確定設(shè)計中結(jié)構(gòu)或部件的振動特性，即計算固有頻率及振型。它是瞬態(tài)動力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析等更詳細(xì)的動力學(xué)分析的起點(diǎn)。文章基于有限元法的線性振動理論，應(yīng)用ANSYS軟件模態(tài)分析中的子空間法（SubspaceMethod）[3]，對傳感器結(jié)構(gòu)的前6階振動特性進(jìn)行分析，計算結(jié)果如表2所示。從總體來看，傳感器的固有頻率較高，各階固有頻率均在2000Hz以上，即當(dāng)產(chǎn)品所承受的振動載荷頻率在2000Hz以內(nèi)的振動載荷時，不會因發(fā)生共振而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
3.2.2隨機(jī)振動分析
隨機(jī)振動分析也稱功率譜密度分析（PSD），屬于一種概率統(tǒng)計分析。功率譜密度是結(jié)構(gòu)對隨機(jī)動力載荷響應(yīng)的概率統(tǒng)計，后處理結(jié)果為功率譜密度-頻率關(guān)系曲線。有限元隨機(jī)振動分析就是建立在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析得到結(jié)構(gòu)的各階振型和固有頻率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)所給的加速度功率譜求出結(jié)構(gòu)在這些隨機(jī)激勵下的位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)。文章利用ANSYS軟件對傳感器進(jìn)行隨機(jī)振動特性進(jìn)行仿真計算[4]，通過對響應(yīng)的分析為結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計提供理論依據(jù).
4結(jié)束語
文章利用仿真分析軟件ANSYS對某型溫度傳感器的振動特性進(jìn)行了分析和校核，以確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性，得到以下結(jié)論：
（1）傳感器的固有頻率較高，前6階固有頻率均在2000Hz以上，因此當(dāng)產(chǎn)品所承受的振動載荷頻率在15Hz～2000Hz以時，不會因為共振而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效的可能。
（2）傳感器按功能振動譜承受沿三軸向的隨機(jī)振動載荷時，其應(yīng)力水平和變形量都非常低，屈服安全系數(shù)均在44以上，振動載荷對傳感器結(jié)構(gòu)可靠性影響不大，因此該結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。
參考文獻(xiàn):
[1]姚起杭.姚軍防止結(jié)構(gòu)振動疲勞的設(shè)計技術(shù)[J].飛機(jī)工程，2006，3：9-11.
[2]郭建平，任康，楊龍，等.基于MSC.Fatigue的電子設(shè)備隨機(jī)振動疲勞分析[J].航空計算技術(shù)，2008，28（4）：48-50.
[3]黃康，仰榮德.基于ANSYS的汽車橫向穩(wěn)定桿疲勞分析[J].機(jī)械設(shè)計，2008，25（12）：66-68.
[4]徐灝.疲勞強(qiáng)度[M].北京：高等教育出版社，1988.