某机载数据终端随机振动及疲劳分析
机载设备随机振动疲劳寿命分析-曹立帅
机载设备随机振动疲劳寿命分析
作者姓名：曹立帅，李刚，顾卫平 作者单位：庆安集团有限公司航空设备研究所 联系方式：029-84636527
基于机械振动的疲劳分析与预测方法
基于机械振动的疲劳分析与预测方法随着现代工程设计要求越来越高，疲劳分析和预测在机械工程领域中变得尤为重要。
由于长期的运行和重复载荷的作用，机械零件可能会出现疲劳失效，这对于工程设备的安全性和可靠性都是一个巨大的威胁。
因此，通过准确预测零件的寿命和疲劳性能，可以指导设计人员去优化设计，提高产品的寿命，并且减少维修和使用成本。
机械振动是导致疲劳失效的主要原因之一。
振动会引起零件发生应力集中，进而引发裂纹的产生和扩展。
因此，理解和分析机械振动对零件疲劳失效的影响，是进行疲劳分析和预测的关键。
疲劳分析的第一步是获取零件的振动数据。
现代技术使得获取振动数据变得更加容易，例如振动传感器和数据采集系统的应用，可以实时地测量并记录零件的振动情况。
通过将实测的振动数据与工作循环进行对比分析，可以获得零件在使用过程中的应力历史。
在得到了零件的应力历史之后，接下来的关键问题是如何建立与振动应力相关的疲劳寿命模型。
疲劳寿命模型是基于实验数据和理论假设来建立的，并且可以通过进一步的试验数据验证和修正。
一般而言，疲劳寿命模型可以分为应力和应变控制两种类型。
应力控制模型将零件的疲劳寿命与振动应力的幅值和频率直接相关联，而应变控制模型则是通过振动应力与零件的应力响应之间的关系来预测疲劳寿命。
通常情况下，疲劳寿命模型会采用统计方法进行建立。
统计方法可以用来描述振动应力与疲劳寿命之间的概率分布关系。
通过分析试验数据，可以建立疲劳寿命模型的概率分布函数，并且可以获得相应的疲劳寿命参数，例如平均寿命和可靠度。
除了建立疲劳寿命模型之外，疲劳分析和预测还需要考虑其他的影响因素，例如材料的强度和韧性，零件的几何形状，以及工作条件的变化等。
这些因素会对零件的疲劳寿命产生重要影响，因此在进行疲劳分析和预测时，一定要综合考虑各种因素。
对于复杂的工程结构，进行疲劳分析和预测可能涉及到数值模拟。
数值模拟可以通过建立材料和几何模型，并且考虑载荷情况、边界条件和材料本身的疲劳参数来预测结构的疲劳寿命。
ansys疲劳可靠性及随机振动分析
ANSYS疲劳分析
5. 调入载荷步计算并储存节点应力分量
Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set(Next Set) Main Menu>General Postproc>Fatigue>Store Stresses>From rst File
ANSYS疲劳分析
3. 定义材料应变强化指数M和N
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Property Table>Elas-plas Par
ANSYS疲劳分析
4. 定义关键点及应力集中系数
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations
！定义载荷变量 ！设置实常数 ！定义材料参数
！建立平面 ！建立中间圆孔面 ！面的布尔操作 ！设置单元划分的分段数 ！定义单元为四边形 ！网格自由划分 ！划分网格 ！结束前处理
ANSYS可靠性分析
二．进入概率分析模块，选定分析文件
Main Menu>Prob Design>Analysis File>Assign
ANSYS可靠性分析
② 显示输入随机变量的采样曲线
（Main Menu>Prob Results>Sampl History）
ANSYS可靠性分析
③ 显示输入随机变量的累计概率分布曲线
（Main Menu>Prob Results>CumulativeDF）
ANSYS可靠性分析
④ 还可以显示输出随机变量的概率敏感图以及输出随机变 量和输入随机变量的相关性等。
机载设备随机振动疲劳寿命分析-曹立帅
3σ的概率为0.27%。可以看出，随机变量超出3σ量级的可能性已很小，采用
3σ已可以满足工程要求。
由上可知，大于3σ的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损
伤。在利用Miner线性累积损伤理论进行疲劳计算时，将应力处理成上述3个水平，
总体损伤的计算公式就可以写成：
D = n1σ + n2σ + n3σ
(4)
N1σ N2σ N3σ
n1σ ：等于或低于1σ水平的实际循环数目(0.6831)； n2σ ：等于或低于2σ水平的实际循环数目(0.271)； n3σ ：等于或低于3σ水平的实际循环数(0.0433)。
N1σ ， N2σ ， N3σ 分别为根据疲劳曲线计算求得的1σ、2σ和3σ应力水平对 应的许可循环的次数。 2.3 随机振动疲劳寿命分析流程
次对材料的损伤为 D/N1,经 n1 次循环作用后，σ1 对材料的总损伤为 n1D/N1,如此
类推，当各级应力对材料的损伤综合达到临界值 D 时，材料发生破坏。用公式表
示为
n1D + n2D + n3D +... = D
(1)
N1 N2 N3
推广到更普遍的情况，即有
∑∞ ni = 1
(2)
N i=1 i
约束：试验台的底面设为固定约束； 载荷：在 X、Y、Z 三个方向上分别施加功率谱密度。
图 4 功率谱密度曲线
3.3 疲劳寿命评估 通过对计算结果的分析，得到控制壳体上危险部位出现在耳片位置上，同时
分别得到该部位三个方向上 1σ、2σ和 3σ应力。
图 5 X 方向加载时耳片危险部位最大 1σ应力图
材料抗拉强度σb =490MPa
7
N3σ=5.44×10 。
基于频域法的随机振动载荷下飞机结构疲劳分析
航
天
大
学 学 报
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ １ １４ ．
Ｆｅ ｂ． ２ ２ ０１
ｔｏ ａ ｔ ｃ Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮａ ｊ ｇ Ｕｎｉ ｅ ｓｔ ｆＡｅ ｏ ａ ｔｃ Ａｓｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｎ ｉ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｒ ｎ ｕ ｉｓ ＆ ｏ ｎ
结果 。
关 键 词 ： 率谱 密度 ； 功 随机 栽荷 ； 动 疲 劳 ； 限元 分 析 振 有
中 图分 类 号 ： ２ Ｖ２ ４ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ５２ １ （ ０ ２ ０ — ０ ２ ０ １ ０ —６ ５ ２ １） １０ ３— ５
Ａｎ ｌ ｓ ｓ ｏ ｒ ｒ ｆ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌ Ｆａ ｉ ｕ ａ ｙ ｉ ｆ Ａｉ ｃ ａ ｔＳ ｒ ｃ ｕ ａ ｔｇ ｅ Ｕｎｄ ｒ Ｒａ ｏ Ｖｉ ｒ ｔｏ ｅ ｎｄ ｍ ｂ ａ ｉ ｎ
ｄ ｎｉ ， Ｓ 估 算 结 构振 动 疲 劳 的一 种 新 的 计 算 方 法 。 先 对 结 构 进 行 频 率 响 应 计 算 ， 到 结 构 的 传递 函数 ； ｅ ｓ ｙ Ｐ Ｄ） ｔ 首 得 将
此传递 函数 与输入 的功率谱相乘 ， 获得 结构的应力功率谱 密度 ； 再结合材料参 数 ， 选择合 适的疲劳损伤模 型， 刺
Ｌｏ ｄｉ ｇ ｓ ｄ ｏ ｎｆ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｄｏ ａ ｎ ａ ｎ ｓ Ｂａ ｅ ｎ Ｉ ｏ ｍ ｔｏ ｎ Ｆｒ ｑ ｅ ｃ ｍ ｉ
Ｍ ｅ ｇ ｎＴａ ｎ Ｆａ ｏ，Ｈ ｕ Ｙｕ ｙｕ
（ ｃ ｎ ｌｇ ｎｅ Ｃｈｎ ｉｔ ｎＩ ｄ ｓｒ ｎ ＡｉｃａｔＧｒｕ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｃｅ ｔｒ， ｉａＡｖａｉ ｎ ｕ ｔｙＸｉａ ｒｒ ｆ ｏ ｐ，Ｘｉａ ｏ ｎ，７ ０ ８ ，Ｃｈｎ ） １０９ ｉａ
基于MSC.Fatigue的电子设备随机振动疲劳分析
寿命 曲线 即 ｓ Ｎ 曲线 。该 曲 线 是 在 控 制 应 力 的条 — 件下得到的破坏寿命与应力 幅值之间关 系的折线段 ， 其对 于估 算零 件 的疲 劳 寿命 是 至关 重 要 的。在 ＭＳ ． Ｃ
一
统 所产生 的振 动也称 为 对这个 输入 的 响应 。当 响应是 随机 的 ， 这种 振动 称 为 随 机振 动 Ｊ 。随机 振 动 是 不 能 用 时间 的确定性 函数 来 描 述 的一 种 振 动 现象 ， 是 从 但
１ ３ Ｍｉｅ 累积损 伤理 论 ． ｎｒ
总体上看 ， 这种振动现象存在着一定统计规律性 ， 可用
该 现象 的统 计特 性 进 行 描 述 ， 就 是在 频 率 范 围 内描 也 述 。在通 常 情况 下 ， 述 随机 振 动 载荷 或 响应 的方 式 描 是 功率谱 密度 函数 。
随机 振动疲 劳 分析 一般 分两 步进 行 。首 先 对有 限
维普资讯
第３ ８卷
第 ４期
航 空 计 算 技 术
Ａｅ ｏ ａ ｔｃ ｌＣｏ ｒ ｎ ｕ ｉａ ｍｐｕ ｉｇ Ｔｅ ｈ ｑ ｔｎ ｃ ｎｉｕｅ
Ｖｏ ． １ ３８ Ｎｏ． ４
２０ ０ ８年 ７月
Ｊ ｌ． ０ ８ ｕｙ ２ ０
基 于 ＭＳ ． ａ ｇ ｅ的 电 子 设 备 随 机 振 动 疲 劳 分 析 Ｃ Ｆｔｕ ｉ
收稿 日期 ：０ ８ ０ — ７ ２０ — １ １ 修 订 日期 ：０ ８ ０ ０ ２ ０ ．２．２
随机 振动疲 劳分析采用 的是 Ｍ ｎｒ ｉ 累积损伤理 ｅ
论 。Ｍｉ ｒ 了如 下假设 ＿ ： 样所 吸 收 的能 量 达到 ｎ 做 ｅ ６ 试 一
极 限值 时 产 生 疲 劳 破 坏 。 这 一假 设 出 发 ， 从 如破 坏 前
ANSYS-随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用 ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS 随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构的随机疲劳寿命。
本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg 提出的基于高斯分布和Miner 线性累计损伤定律的三区间法进行 ANSYS随机疲劳计算的具体过程。
１．随机疲劳现象普遍存在在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。
因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是非常有必要的。
2．ANSYS随机振动分析功能介绍ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：1.具有位移、速度、加速度、力和压力等 PSD类型；2.能够考虑 a 阻尼、阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；3.能够定义基础和节点 PSD激励；4.能够考虑多个 PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传播关系等；5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1 位移解， 1 速度解和 1 加速度解；3．利用 ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N 曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。
下面围绕该方法举例说明 ANSYS随机疲劳分析的一般原理。
当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。
但已经有许多种分析方法，这里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg 提出的基于高斯分布和 Miner 线性累计损伤定律的三区间法（应力区间如图 1 所示）：应力区间发生的时间68.3% 的时-1~+1间27.1% 的时-2~+2间4.33% 的时-3~+3间99.73%大于 3的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。
ANSYS 高清晰 精品资料：第15章 随机振动和随机疲劳分析实例
第15章 随机振动和随机疲劳分析实例 谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷(如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等等)的动力响应情况。
谱是谱值与频率的关系曲线，它反映了时间—历程载荷的强度和频率信息。
谱分析分为：响应谱分析、动力设计分析方法(Dynamic Design Analysis Method ，DDAM)和功率谱密度(Power Spectral Density —PSD,也称为随机振动分析)。
其中，一个响应谱代表单自由度系统对一个时间—历程载荷函数的响应，它是一个响应与频率的关系曲线，其中响应可以是位移、速度、加速度、力等。
下面以一个梁—板壳结构在地震位移激励作用下的随机振动分析为例，来将讲解用ANSYS6.1进行随机振动分析的具体过程，对于其它类型的谱分析的基本分析步骤可参阅本书第10章。
15.1 问题描述某板—梁结构如图15.1所示，计算在Y方向的地震位移激励谱作用下整个结构的响应情况。
板—梁结构的基本尺寸如图13.1所示，地震谱如表15.1所示，其它材料属性和几何特性数据如下：图15.1 梁－板壳结构模型A3钢的材料特性：杨氏模量EX ＝2.1 E11 N/m 2，泊松比PRXY ＝0.3，密度DENS ＝7.8 E 3 Kg/m 3。
板壳：厚度＝2E-3 m梁几何特性：截面面积＝1.6E-5 m 2， 惯性矩＝21.333E-12 m 4 ， 宽度＝4E-3 m ，高度＝4E-3 m表15.1梁—板结构所受的谱表位移激励谱频率(Hz) 0.5 1.0 2.4 3.8 17 18 20 32 位移(×10-3m) 0.01 0.016 0.03 0.02 0.005 0.01 0.015 0.0115.2 建立模型跟所有在ANSYS6.1中进行的结构分析一样，建立本实例的有限元模型同样需要完成如下工作：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，定义单元实常数，建立几何模型并进行有限元网格划分等。
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：
均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结
构的随机疲劳寿命。
本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS随机疲劳计算的具体过程。
１．随机疲劳现象普遍存在
在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机
载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发
生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。
因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命
是非常有必要的。
2．ANSYS随机振动分析功能介绍
ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：
1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；
2.能够考虑a阻尼、阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；
3.能够定义基础和节点PSD激励；
4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传
播关系等；
5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1位移解，1速度解和
1加速度解；
3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理
在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的
方法，可以直接得到总寿命。
下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。
随机振动疲劳分析流程
随机振动疲劳分析流程Random vibration fatigue analysis is a critical process in engineering design and analysis. It involves predicting the life of a structure subjected to random vibrations, such as those experienced in vehicles, aircraft, and industrial machinery. This type of analysis is essential for ensuring the reliability and durability of components and systems under real-world operating conditions.随机振动疲劳分析是工程设计和分析中的一个关键步骤。
它涉及预测结构在随机振动下的寿命，例如车辆、飞机和工业机械中经历的振动。
这种分析对于确保组件和系统在实际运行条件下的可靠性和耐久性是至关重要的。
One of the main challenges in random vibration fatigue analysis is the uncertainty in the input loads. Unlike deterministic loading, which is well-defined and repeatable, random vibrations have unpredictable characteristics that make it difficult to accurately predict the fatigue life of a structure. This uncertainty requires the use of probabilistic methods and statistical tools to assess the effects of random loading on the structural integrity.随机振动疲劳分析中的主要挑战之一是输入载荷的不确定性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第２期（总第２１３期）２０１９年４月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２Ａｐｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－０１４５－０３某机载数据终端随机振动及疲劳分析王松松１，刘 洁２（１．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 ０５００８１；２．河北诺亚人力资源开发有限公司，河北 石家庄 ０５００３５）摘要：机载数据终端是飞机测控系统的重要组成部分，飞机飞行过程中产生的随机振动是使其结构失效的主要因素。
为了提高机载数据终端的可靠性，基于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件平台对某机载数据终端进行模态分析、随机振动分析和疲劳计算，获得了机载数据终端在随机振动下的变形云图和应力分布云图，并根据仿真结果对结构进行优化。
经设计改进后的机载数据终端顺利通过振动试验并交付使用，说明了仿真结果的合理性，也为进一步的结构优化和新设计提供了参考。
关键词：机载数据终端；模态分析；随机振动分析；疲劳分析中图分类号：ＴＰ３９１．７ 文献标识码：Ａ收稿日期：２０１８－０７－２４；修订日期：２０１９－０１－２６作者简介：王松松（１９８８－），男，山东阳信人，工程师，硕士，主要从事电子设备的结构设计工作。
０ 引言机载数据终端是飞机测控系统中的重要组成部分［１］，在飞机飞行过程中处于复杂的随机振动环境中。
如何保证机载数据终端的刚度、强度及寿命，同时满足系统质量指标的要求，是其结构设计过程中面临的重要问题。
振动试验是模拟机载随机振动的有效办法，然而，单纯依靠振动试验存在周期长、成本高的弊端。
因此，采用有限元仿真和振动试验相结合的方法可大大提高产品的研发效率。
本文综合考虑机载数据终端的结构特点及使用环境，对其进行模型简化，建立了适于软件分析的有限元模型，然后对其进行了含预应力的模态分析和随机振动分析，得到了机载数据终端盒体的变形云图和应力分布云图。
另外，对盒体的应力危险点进行了疲劳计算，得到了其总体损伤比。
１ 建立结构分析模型１．１ 有限元模型该机载数据终端的组成结构如图１所示。
盒体安装在收发信机上，盒体的前后分别装有前盖板和后盖板，电源板、密码板及终端板分别通过插入轨道的方式插入到盒体相应导轨中，并通过前盖板和后盖板限制其位移。
终端板上发热芯片的热量传递到散热块上，通过风扇将热量带走。
该机载数据终端结构复杂，需对其进行必要的模型简化。
对简化后的模型进行网格划分，得到机载数据终端的有限元模型，如图２所示。
１．２ 基本参数和设计依据机载数据终端盒体的材料为铝合金２Ａ１２－Ｔ４，印制板材料为ＦＲ－４，材料的力学性能见表１。
另外，按系统质量指标分配，盒体质量应不超过３０ｇ。
图１ 机载数据终端组成结构图２ 机载数据终端有限元模型表１ 材料的力学性能材料密度（ｋｇ／ｍ３）弹性模量（ＧＰａ）泊松比屈服强度（ＭＰａ）２Ａ１２－Ｔ４ ２ ７７０ ７０ ０．３３≥２９５ＦＲ－４ ３ ０５０（等效值）１１ ０．２８ ９７ 该机载数据终端承受如图３所示的振动条件，其振动频谱由一个宽带背景叠加一些窄带尖峰组成，振动激励范围为１５Ｈｚ～２ ０００Ｈｚ，振动方向为Ｚ向，振动时间为６０ｍｉｎ。
综合考虑该机载数据终端的结构特性及工作环境，对其振动频谱进行包络处理。
图３ 机载数据终端随机振动曲线２ 仿真分析２．１ 含预应力的模态分析结构在弹性阶段时，其自由振动方程为：［Ｍ］｛ｕ··｝＋［Ｃ］｛ｕ·｝＋［Ｋ］｛ｕ｝＝０．（１）其中：［Ｍ］为质量矩阵；［Ｃ］为阻尼系数矩阵；［Ｋ］为刚度矩阵；｛ｕ··｝为加速度列矩阵；｛ｕ·｝为速度列矩阵；｛ｕ｝为位移列矩阵。
由于阻尼对结构固有频率的影响较小，在计算结构的固有频率时，往往不考虑阻尼带来的影响。
对式（１）进行边界条件处理，得到结构的特征值方程为：（［Ｋ］－ω２［Ｍ］）｛Φ｝＝｛０｝．（２）其中：ω为固有频率；｛Φ｝为振型。
结构的特征行列式为：［Ｋ］－ω２［Ｍ］＝０．（３）求解式（３）可得到结构的固有频率ωｉ，从而得到结构的振型｛Φ｝ｉ［２］。
另外，由于机载数据终端在振动时会受到重力的影响，故在对其进行模态分析之前，需对其施加重力载荷，得到机载数据终端内部应力后，将预应力导入到模态分析中，作为材料的固有特性重组系统的刚度矩阵，得到含预应力的各阶模态的固有频率和振型。
这里列出其前６阶振动模态的固有频率及相应的振型特征，如表２所示。
表２ 机载数据终端固有频率及振型特征模态阶次固有频率（Ｈｚ）周期（ｓ）振型特征１ ７１０．２１ １．４×１０－３盖板１阶翘曲２ １ ０２６．４ ９．７×１０－４导轨１阶翘曲３ １ ３０２．１ ７．７×１０－４终端板１阶翘曲４ １ ５６８．２ ６．４×１０－４盒体上壁板１阶翘曲５ １ ５９０．３ ６．３×１０－４密码板及电源板２阶翘曲６ １ ６７２．４ ６×１０－４终端板２阶翘曲２．２ 随机振动分析为了保证计算精度，本文分析时提取了机载数据终端在２０Ｈｚ～２ ０００Ｈｚ频率范围内的所有固有频率和振型，阻尼比设为０．０１。
施加Ｚ向的随机振动载荷，可得到机载数据终端的变形云图和应力云图，分别如图４和图５所示。
由图４可以看出，机载数据终端在随机振动过程中的最大变形约为０．３６ｍｍ，发生在顶部盖板上，不存在安全隐患。
由图５可以看出，机载数据终端在随机振动过程中的最大应力约为１７５ＭＰａ，发生在印制板导轨截面突变的位置，此应力值相对较大。
事实上，在随机振动试验过程中，此类盒体部分出现了导轨断裂情况，如图６所示。
图４ 机载数据终端变形云图图５ 机载数据终端应力云图图６ 导轨断裂照片经过分析，由于此处截面形状发生突变（利于加工），在此处会产生一定的应力集中，导致此处应力值较大，且会对机载数据终端盒体的疲劳寿命产生较大的影响，属于不合理结构。
而且，处理铣刀加工后留下的毛刺往往会加重此截面的裂缝，更容易出现疲劳断裂。
综合考虑，在此应力集中区域增加圆角设计。
增加圆角后重新对模型进行随机振动分析，得到其应力云图，如图７所示。
由图７可以看出，增加圆角对于截面突变处的应力值有很大的改善，最大应力发生在盖板与散热齿连接处，约为８３．０１ＭＰａ。
２．３ 疲劳计算随机振动载荷下的疲劳分析主要有时域［３］和频·６４１·机械工程与自动化 ２０１９年第２期 域［４］两种分析方法，本文选择频域分析方法对机载数据终端盒体的疲劳寿命进行计算。
基于正态分布和Ｍｉｎｅｒ线性累计损伤定律，Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ提出使用三区间法进行疲劳计算［５］，结构整体损伤比Ｒ的计算公式为：Ｒ＝ｎ１σＮ１σ＋ｎ２σＮ２σ＋ｎ３σＮ３σ．（４）其中：ｎ１σ为１σ（σ为应力）值下实际循环数，ｎ１σ＝０．６８３ｖ＋０Ｔ，ｖ＋０为振动平均频率，取保守值２ ０００Ｈｚ，Ｔ为随机振动试验时间，Ｔ＝３ ６００ｓ；ｎ２σ为２σ值下实际循环数，ｎ２σ＝０．２７１ｖ＋０Ｔ；ｎ３σ为３σ值下实际循环数，ｎ３σ＝０．０４３ ３ｖ＋０Ｔ；Ｎ１σ、Ｎ２σ和Ｎ３σ分别为根据材料的疲劳曲线获得的１σ、２σ和３σ应力值下的许用循环次数。
如果总体损伤比Ｒ＜１，则认为结构处于安全状态；如果总体损伤比Ｒ≥１，则认为结构失效［６］。
图７ 增加圆角后机载数据终端的应力云图由机载数据终端随机振动仿真结果可知，其无圆角时最大等效应力１σ为５８．３３ＭＰａ，２σ为１１６．６７ＭＰａ，３σ为１７５ＭＰａ；有圆角时最大等效应力１σ为２７．６７ＭＰａ，２σ为５５．３３ＭＰａ，３σ为８３．０１ＭＰａ。
查阅参考文献［７］，铝合金材料２Ａ１２的应力与寿命曲线的拟合公式为：ｌｇＮ＝１８．８２９ ４－６．６６２ ２ｌｇσ．（５）其中：Ｎ为寿命（应力循环次数）。
将相关参数分别代入式（４）和式（５），经计算可得损伤比Ｒ无圆角＝５８，Ｒ有圆角＝０．４０３。
根据Ｍｉｎｅｒ线性累计损伤定律，由于无圆角存在较大的应力，其损伤比远远超过１，会产生疲劳损坏，而增加圆角后可显著减小等效应力，其损伤比小于１，机载数据终端盒体结构处于安全状态。
经设计改进后，该机载数据终端成品完成了生产加工，并顺利地通过了振动试验，其成品如图８所示。
目前，该产品已近陆续生产及交付三百多套，满足系统的使用要求。
图８ 机载数据终端成品３ 结语本文利用仿真软件对机载数据终端结构进行了模态分析、随机振动分析和疲劳计算，验证了结构设计的可行性。
综合仿真分析和试验结果可以看出，仿真结果与试验结果基本一致，仿真结果可为结构设计提供设计反馈，仿真工具的使用可有效提高随机振动试验的通过率。
参考文献：［１］ 杨玻．高性能无人机机载数据终端的设计［Ｄ］．成都：电子科技大学，２０１０：１－４．［２］ 陈浩曼．九江文化中心不规则空间网壳的抗震关键性能研究［Ｄ］．南京：东南大学，２０１２：３１－３２．［３］ 白春玉，牟让科，马君峰，等．多轴应力响应下结构振动疲劳寿命预估的时域方法研究［Ｊ］．机械科学与技术，２０１３，３２（２）：２８９－２９３．［４］ 刘龙涛，李传日，程祺，等．某结构件的随机振动疲劳分析［Ｊ］．振动与冲击，２０１３，３２（２１）：９７－１０１．［５］ Ｄａｖｅ Ｓ Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ．电子设备振动分析［Ｍ］．王建刚，译．第３版．北京：航空工业出版社，２０１２．［６］ 黄凯，沈石松，张发洋，等．弹载相控阵天线结构随机振动与疲劳分析［Ｊ］．制导与引信，２０１６，３７（２）：２４－２７．［７］ 王明珠，姚卫星，孙伟．结构随机振动疲劳寿命估算的样本法［Ｊ］．中国机械工程，２００８，１９（８）：９７２－９７５．Ｒａｎｄｏｍ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆａｔｉｇｕｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｎ Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｄａｔａ ＴｅｒｍｉｎａｌＷＡＮＧ Ｓｏｎｇ－ｓｏｎｇ１，ＬＩＵ Ｊｉｅ２（１．ＣＥＴＣ５４，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００８１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｅｂｅｉ Ｎｏａｈ Ｈｕｍａｎ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００３５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｒｂｏｒｎｅ ｄａｔａ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｐｌａｎｅ ＴＴ＆Ｃ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｅｍｅｒｇｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｐｌａｎｅ，ｉｓ ａ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｄａｔａ ｔｅｒｍｉｎａｌ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｄａｔａ ｔｅｒｍｉｎａｌａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｉｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｐｉｃｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｄａｔａ ｔｅｒｍｉｎａｌ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｄａｔａ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｐａｓｓｅｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｈａｎｄｅｄ ｏｖｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｕｓｅｒ．Ｔｈｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｎｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｎｅｘｔ ｓｔｅｐ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｉｒｂｏｒｎｅ ｄａｔａ ｔｅｒｍｉｎａｌ；ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｔｉｇｕｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ·７４１· ２０１９年第２期 王松松，等：某机载数据终端随机振动及疲劳分析。