ANSYS随机振动分析在电子行业的应用
某军用电子机柜随机振动仿真分析
某军用电子机柜随机振动仿真分析【摘要】为验证某军用电子机柜振动可靠性，本文采用ANSYS Workbench 有限元软件对其结构动力学特性进行了研究。
首先进行了模态分析，在此基础上进行了随机振动的加速度PSD（Power Spectral Density）分析，得到了机柜的应力分布云图、形变云图和功率谱密度响应曲线。
分析表明：该型电子机柜的设计满足总体设计要求。
【关键词】军用电子机柜；模态分析；随机振动；PSD1.引言现代战场的作战情况变得越来越复杂，这对我们设计电子机柜提出了更高的要求。
电子机柜作为电子元器件的承载体，其自身结构的刚、强度及动态性能将直接影响系统工作的可靠性。
现阶段的电子机柜结构往往依靠经验进行设计，大多研究只停留在电子机柜的静态特性分析上，关于动态特性的研究较少。
本文从工程应用出发，采用ANSYS Workbench有限元仿真软件，对在研电子机柜柜体进行了模态分析和随机振动分析，以便在结构的方案设计阶段就预估机柜的薄弱环节，为机柜的动态优化设计提供依据。
2.随机振动分析原理随机振动的激励是不确定和不可预估的，在相同条件下也不可重复，其分析是一种基于概率统计学的谱分析技术。
它求解的是在随机激励作用下的位移、应力等的概率分布情况[1]，即其分析的输入、输出都具有随机概率特性。
它的原理是首先计算模型的每阶模态响应统计，再对它们进行综合，并假设随机振动过程为平稳随机过程[2]。
定义平稳随机过程x（t）的功率谱密度：（1）表示振动能量在各角频率上的分布密度情况，它与轴之间的面积等于该过程的方差Dx，即：（2）随机振动分析中功率谱密度[3][[4][5]（Power Spectral Density，PSD）记录了结构对随机激励响应的概率统计。
功率谱密度分析流程为：（1）进行有限元建模；（2）进入加载及求解模块，进行模态分析，设置主自由度、扩展模块，并进行求解；（3）再进入求解模块，进行谱分析，设置分析类型为功率谱密度（PSD），给出分析中所需要的各种参数以及设置；进入后处理模块，计算随机振动响应PSD值。
基于ANSYS电磁继电器触簧系统的随机振动分析
基于ANSYS电磁继电器触簧系统的随机振动分析电磁继电器的触簧系统包括触点及簧片，由电磁系统驱动转换机构实现继电器触点与簧片间的闭合与开断。
在设计过程中，触点压力设计的合理性往往需要通过后期装配完成后试验验证来确定。
因此在设计过程中，应用仿真软件进行仿真与分析研究，先从理论设计上满足设计要求的前提下进行加工，既缩短了继电器的研发周期也节约了加工成本。
标签：电磁继电器触点压力预应力仿真分析PSD1引言电磁继电器做为最常见的继电器之一，其设计方法，设计理念在现阶段已较为成熟。
但是在设计过程中，触点与簧片间的压力是设计者不得不考虑的一个因素之一，其触点压力大小一般都是通过设计者的经验者所得，或者通过国外样品的测量所得，并未形成具体的设计思路与方法。
当触点接触压力太小时，触点与簧片间接触电阻偏大，并在随机振动及冲击条件下容易产生瞬断甚至脱落等现象造成继电器的失效；当触点接触压力太大时，电磁系统的功耗偏大造成发热高，导致漆包线损坏，同时也加重触点与簧片间的磨损，当触点间磨损的量大于设计的超距时，触点与簧片之间将无法再有效可靠地接触造成继电器的失效。
因此触点与簧片间的接触压力大小的设计，是在满足继电器触点间接触电阻的同时也能满足振动冲击等环境条件的要求。
本文通过一种特种电磁继电器的设计，简述随机振动仿真分析在继电器触点与簧片的接触压力设计中的作用。
2 研究对象本文研究的对象为一特种继电器，其内部的核心的组件结构如图所示1所示。
为了便于观察内部结构，对组件的陶瓷部分进行了局部剖。
其转换的工作原理为轭铁底部有一弹簧，在管座内部线圈未施加激励时，由弹簧作用于轭铁向上的力，通过转换结构保证簧片与触点之间可靠接触；同理，当内部线圈施加激励时，电磁吸力大于弹簧的反力，保证簧片与另一触点可靠接触。
1-接线柱、2-陶瓷罩、3-转换结构、4-簧片、5-触点、6-轭铁、7-管座图1 继电器内部组件结构示意图该继电器与触簧系统相关的主要技术指标为：（1）触点形式：SPDT；（2）最大连续电流：10A；（3）接触电阻：≤1.0Ω；（4）机械寿命：100万次；（5）振动：10g，50～500Hz；（6）冲击：10g，11ms，1/2s。
基于ANSYS的位标器随机振动分析
基于ANSYS的位标器随机振动分析根据导引头力学环境试验的标准和要求，采用有限元分析软件ANSYS对导引头位标器的结构进行了模态分析和随机振动分析。
得出导引头位标器的振动特性以及其在随机振动条件下的响应。
并对模型在单轴独立加载和三轴同时加载条件下的随机振动响应进行了对比，为导引头的结构设计提供了参考。
标签：有限元；导引头；随机振动；ANSYS引言导引头工作的力学环境比较复杂，为了检验其在真实环境下的工作情况，保证其对环境的适应性和使用的可靠性，国家军用标准中规定军品必须进行一定的力学环境试验，随机振动试验是比较重要的一种。
因为振动是产品失效的主要环境因素之一，大多数振动环境是随机振动的[1]。
随机振动试验可以有效地暴露产品的早期故障，提高军品的使用可靠性。
在产品的设计和改进阶段一般需要对其进行随机振动分析，这样可以及早的找出产品的重要缺陷，对结构设计进行优化，避免生产浪费，缩短研制周期，降低成本。
随机振动分析也称功率谱密度分析（PSD），它属于一种定性分析。
功率谱密度是结构对随机动力载荷响应的概率统计，其原始数学模型是以概率理论为基础的，与其它分析不同，在力学上不是一个能够定量分析的问题，但即使这样，还是能够从PSD分析中获得一些定性的数据，如1σ或者3σ位移、速度、加速度以及单元的应力结果，这里的1σ和3σ响应值就是概率统计中正态分布下的均方根响应值小于该值的出现概率分别为68.27%和99.74%。
在产品的随机振动试验中，由于受振动试验设备条件的限制，一般是三个轴分别加载，但是产品在使用环境中可能三个轴方向上同时受到振动，因此，用ANSYS分析产品在三个轴向同时加载的情况下的响应有很大的意义。
1 建立有限元模型尽管ANSYS的建模技术日益强大，但是和专业的三维建模软件ProE相比，其效率还是相差很多。
并且几乎所有的几何模型都是在ProE中绘制的，因此，直接把ProE中的几何模型导入ANSYS中将大大提高建模效率。
ANSYS随机振动分析在电子行业的应用
最为， 的 ＭＣ Ｅ软件。Ａ Ｓ Ｓ Ａ Ｎ Ｙ ／Ｍｅｈｎｃ 的 ｃａｉ ｌ ａ 结构分析模块拥有的强大材料非线性和接触非线 性能力完全能满足电子产品的结构分析要求（ 包含 静力强度分析 、 模态分析 、 谐响应分析、 响应谱分
析、 随机振 动响应 分析 、 态动力 学分 析等 ） 瞬 。 与显 示 动 力 学 不 同 的 是 ， ＡＮＳ Ｓ Ｍｅｈｎｃｌ Ｙ ／ ｃａｉ ａ
１ １ Ａ Ｙ ／ ｃ ａｉ ｌ ． ＮＳ Ｓ Ｍｅｈ ｎｃ 隐式动力 学原理 ａ
ＡＮＳ ＳＭｅｈｎｃｌ 为 ＡＮＳ 的 核 心 产 Ｙ ／ ｃａｉ 作 ａ ＹＳ 品 ， 集功 能完 整 性 、 是 技术 先 进 性 与 易学 易用 性 于
一
数 Ｈ（ ） 然后求出响应 的功率谱密度。 ，
１０ １
２ １ 年 １ 月 中国制造业信息化 ０１ ２
第４卷 ０
第 ２ 期 ３
ＡＮＳ ＹＳ随机 振 动分 析 在 电子行 业 的应 用
阮 健
（ 国营第七一三厂（ 同方电子科技有限公司）江西 九江 ３ ２０ ） ， ３０７
摘要 ： 为验证 电子 产品 的振 动 可 靠性 ， 某一 电子 机 箱结 构动 力 学特性 进行 了研 究。 用 Ａ Ｙ ／ 对 ＮＳ Ｓ Ｍｅｈｎｃｌ 限元软 件进 行分析 ， ｃａｉ 有 ａ 通过 施加 随机振 动 的加速 度 谱 曲线 ， 出 了机 箱 的应 力分 布 和 得
第 ２ 期 ３
图 ６ 机 箱 侧 面某 点 速 度 与 加 速 度 随机 振 动分 析 结果
件对 电子机 箱进行 随机 振动分 析 的过程 ， 过分 析 通
３ 仿 真 结 果 分 析
由Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ随 机振 动分 析 结 果 可 以看 出 ： １ （） 整 个结构 等效 应力 分布 比较均 匀 ， 以认 为整个 结 可 构设 计 比较 合 理 。 （ ） 机 箱 内局 部 位 置 应 力 较 ２在 大， 在振 动过 程 中会 发 生 塑性 变 形 ， 以根据 需 要 可 进 行结 构 改 进 。 （ ） 分 析 结 果 曲 线 图 中可 以看 ３从 出， 结构 在 ２０ 发 生最 大 变形 ， ５Ｈｚ 即在 该 点会 发 生 共 振 。在其 他频 率点结 构反应 平稳 。
随机振动仿真分析在机载电子设备中的应用
1 引言飞行器在飞行过程中，因受发动机和气流的影响，会导致机体发生剧烈的振动。
由于气流对飞行器的影响和发动机工作引起的振动都是没有规律的，因此机载设备所承受的都是随机振动。
随机振动往往造成机载设备的疲劳损坏，对于机载电子设备而言，就是容易导致电子设备的焊点脱焊、管脚断裂，连接松弛脱落等故障，严重的会直接导致机毁人亡的灾难性后果。
为此，在机载电子设备的设计过程中就进行随机振动仿真分析就显得尤为重要。
2 振动仿真分析过程分析结果对该机载电子设备的振动薄弱环节有了一个直观和清晰的认识，从而指导设计人员对产品进行改进，完善产品的设计，增强了产品的可靠性。
2.1 有限元分析模型的创建的CAD模型，对模型进行必要的简化，使模型满足有限元分析要求，减少分析时间，简化后的CAD模型见图1（隐藏上盖板后）。
图1 简化后CAD模型有限元划分分别采用了四面体和六面体单元，对机箱安装在箱体上的部件以及电路板组件进行单独划分，其中相对重要的印制线路板组件全部采用六面体划分单元，以保证计算结果更加准确。
最终划分完成得到的单元数量为119396。
对印制板和机箱的连接采用MPC中的RBE2来模拟螺钉连接，螺钉采用梁杆结构近似，创建的MPC数为24个，最后完成的有限元模型如图2所示（隐藏上下盖板后）。
2.2 模型验证通过模态试验的方法对有限元初始模型进行验证。
试验首先对印制线路板模块、空机箱进行自由模态试验，然后对电路板进行约束条件下的模态试验，并将试验结果与仿真结果进行对比分析，最后通过模型调整使仿真结果与试验结果接近，以保证仿真分析模型的准确和边界条件的设置正确。
通过模态验证试验保证了有限元模型与实际物理设备的一致性。
图2 有限元模型2.2.1 试验原理模态试验采用力锤敲击法进行试验，即通过力锤施加一个力在受试产品的一个激励点上，由布置在受试产品外表面加速度传感器记录该传感器安装位置的加速度响应信号，将力锤的冲击信号和加速度传感器的响应信号采集再经过归一化调节放大分析后，得到该位置点的频响函数，然后按事先布置好的均布点依次移动加速度传感器安装位置，同样由力锤在固定激励点依次施加冲击信号，最终得到整个受试产品外表面均布各点的频响函数，再由模态参数识别软件STAR-Modal，分析得到受试件的模态频率与振型信息。
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是一款常用的工程仿真软件，具有强大的分析功能。
在进行随机疲劳分析时，可以利用ANSYS的随机振动分析功能来模拟随机加载下的疲劳损伤。
随机疲劳分析是一种考虑工作载荷随机性对结构疲劳寿命影响的方法。
通过采用随机振动分析，可以考虑到工作载荷的随机特性，进一步分析结构的疲劳损伤。
ANSYS中的随机振动分析功能可以通过以下步骤来进行：1.几何建模：首先，需要进行结构的几何建模。
使用ANSYS的几何建模工具可以创建出要进行疲劳分析的结构。
2.材料属性定义：在进行材料属性的定义时，需要确定材料的弹性模量、泊松比、密度和疲劳参数等。
可以根据材料的材料数据手册来获取这些参数。
3.边界条件设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构的边界条件。
这些边界条件可以是结构受到的随机外载荷或者是结构与其他部件的接触情况。
4.加载设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构受到的随机载荷。
这些载荷可以是来自于实际工况的随机载荷，也可以通过振动台试验数据等手段获取。
5.随机振动分析：利用ANSYS的随机振动分析功能，可以进行频域分析或时域分析。
频域分析可以用于计算结构的响应功率谱密度，时域分析可以用于计算结构的随机响应。
6.疲劳寿命计算：在获得结构的随机响应后，可以进行疲劳寿命计算。
根据结构的随机响应和材料的疲劳性能参数，可以使用ANSYS的疲劳分析功能来计算结构的疲劳寿命。
通过以上步骤，可以利用ANSYS的随机振动分析功能实现随机疲劳分析。
这种方法能够更全面地考虑结构在实际工作环境下的疲劳寿命，为结构的设计和改进提供准确的参考。
需要注意的是，在进行随机疲劳分析时，需要对随机载荷进行合理的统计分析，获取载荷的概率密度函数。
如果没有足够的载荷数据，也可以使用统计模型进行估计。
此外，还需要对材料的疲劳性能参数进行准确的测定，以保证疲劳寿命计算的准确性。
总之，利用ANSYS的随机振动分析功能进行随机疲劳分析是一种有效的方法，可以更准确地评估结构在随机工作载荷下的疲劳性能，为结构的设计和改进提供有力的支持。
Ansys培训-随机振动分析
15. In the Details of the PSD Load,
14
change “Direction” to “Y Axis” for
this particular XYZ orientation.
16. For >Load Data chose >New PSD Load
Acceleration
– The data points can be entered for each Freq & Amplitude, or a function can be entered.
Acceleration
A2
A3
A1 A4
F1 F2
F3
F4
Frequency
Workshop – 假定
• The Girder has fixed constraints along all lower edges.
2. Click OK, thus accepting the default number of modes
3. Choose the U.S. inch pound unit system.
– “Units > U.S. Customary (in, lbm, lbf, …)” 1
2
3
Workshop – 前处理-壳体厚度
PSD分析. • Steps: 进行模态和随
机振动分析，并显示 结果.
随机振动分析
随机振动分析流程 打开, Tower.dsdb.
• Browse to file if not in list
• 打开分析向导…
随机振动分析
随机振动分析流程
随机振动分析
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。