1/1材料參數(shù)

　　控制臺的結(jié)構(gòu)重量有嚴格的限制，鋁合金材料成為結(jié)構(gòu)設(shè)計師的優(yōu)選。目前，大多數(shù)的控制臺都選用鋁合金材料作為控制臺機架的主題材料，通過鈑金折彎焊接成形的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案實現(xiàn)。

　　1/2環(huán)境條件

　　控制臺振動試驗功率譜密度，沖擊值和加速值，與實裝相同固定方式和環(huán)境條件。

　　2、控制臺有限元分析

　　本文所做的有限元分析采用被國際工程領(lǐng)域承認的大型有限元分析軟件ANSYS10.0。該軟件廣泛用于機械制造、石油化工、造船、航空航天、汽車交通、電子、水利、鐵道等眾多領(lǐng)域。

　　2/1有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

　　控制臺的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要對模型進行簡化，這樣可以加快計算速度、提高精度。機架采用鋁型材折彎焊接而成的鈑金結(jié)構(gòu)，為更好的模擬實際結(jié)構(gòu)，采用4節(jié)點殼單元shell63，用殼單元來描述其力學(xué)特性最為合理，殼單元包括了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，且殼單元有效高的計算精度，同時控制臺大部分平面的長寬與厚度的比值相差十倍以上。在考慮主機、鍵盤和顯示器對控制臺機架的影響時，按實際幾何形狀建模，采用8節(jié)點體單元solid45來代替實際設(shè)備質(zhì)量。建立模型過程中先后生成點、線、面、體，在螺栓連接處采用耦合自由度的方法約束，在焊接部分要求有公共點和線。整個建模過程采用APDL參數(shù)化語言實現(xiàn)，將控制臺的尺寸參數(shù)化，包括施加的載荷，這樣可以方便的更改各種尺寸和載荷，提高計算時間和分析效率。用ANSYS軟件建立的有限元模型。

　　2/2模態(tài)分析

　　模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種技術(shù)，也是掌握結(jié)構(gòu)動態(tài)特征的最好方法。它包括固有頻率和振型，固有頻率和振型是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。

　　2/2/1理論基礎(chǔ)

　　控制臺整個結(jié)構(gòu)的振動方程為：

　　Mq + Cq + Kq = f

　?。?）式中，M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；q分別為加速度、速度和位移矢量；f為載荷矢量。

　　模態(tài)分析，即求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，假定控制臺是結(jié)構(gòu)自由且無阻尼的系統(tǒng)，其振型方程為：

　　Mq + Kq = 0

　?。?）對簡諧振動，其中，節(jié)點位移q的節(jié)點振幅列陣（或稱模態(tài)振型）；頻率與時間。

　?。?）按自由振動理論，n階自由度系統(tǒng)的自由振動方程式應(yīng)有n個固有頻率，并且可以由頻率進行列式?jīng)Q定。、

　　由式（4）可求得系統(tǒng)的各階固有頻率，再把代入式（3）即可求出特征向量（模態(tài)振型）。

　　2/2/2有限元模態(tài)分析

　　對控制臺模型進行模態(tài)分析，得到前8階固有頻率。

　　前階振型，1階振型表現(xiàn)為整個控制臺前后方向上的彎曲振動；2階振型表現(xiàn)為整個控制臺左右方向上的彎曲振動；3階振型表現(xiàn)為整個控制臺上下方向上的扭轉(zhuǎn)振動；4階振型表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)前后擺動，下部電子設(shè)備擺動方向與整體擺動方向相反。其余4階都是二次彎曲振型，內(nèi)部電子設(shè)備帶動機架有左右或上下的擺動。從頻率值大小及振動形態(tài)可判定控制臺具有較高的整體剛度，其剛度儲備足夠，分布合理。

　　2/3 控制臺9g加速度工況的強度分析

　　加速度是描述振動環(huán)境強度的基本量，9g向前加速載荷情況是結(jié)構(gòu)安全的極限工況，控制臺是按照9g加速度慣性載荷設(shè)計的。如果此工況。設(shè)備的向前加速度方向。根據(jù)真實的約束條件，控制臺在底部六個安裝點的位置約束其平動自由度，為了避免應(yīng)力集中，每個螺栓對應(yīng)的位置取4個節(jié)點約束位移，再對整個控制臺的變形云圖。從圖中可以看出，由于底部的約束，整個控制臺的最大變形僅9.261mm，且發(fā)生在控制臺的頂部。為更好地反映控制臺的強度，給出控制臺單元平均應(yīng)力云圖。從圖中可知控制臺與地面接觸的螺栓位置是整個控制臺應(yīng)力比較集中的位置，其中最大等效應(yīng)力值為103Mpa，這個值未達到鋁型材的屈服極限，因此強度滿足要求，且強度儲備具有一定的裕量。

　　2/4控制臺12g加速度工況的強度分析

　　12g向前加速度載荷情況是環(huán)境條件中最嚴酷的工況，經(jīng)過計算得到整個控制臺的變形云圖。從圖中可知，整個控制臺的最大變形發(fā)生在頂部，數(shù)值是12.349mm?？刂婆_單元平均應(yīng)力云圖，從圖中可知控制臺內(nèi)部最大等效應(yīng)力值為137Mpa，雖已接近鋁型材的屈服極限，但遠未達到材料的強度極限，因此材料也是滿足要求的，最大等效應(yīng)力值發(fā)生在與地板相連的螺栓位置附近，由于螺栓采用的材料是30CrMnSiA，它的強度遠遠大于鋁型材的強度，因此工況強度滿足要求。

　　2/5  9g12g加速分析結(jié)果比較

　　將9g12g加速度有限元分析結(jié)果進行對比，兩種工況分析條件相同（除施加的加速值不同），得出的結(jié)論中變形和應(yīng)力的最大值發(fā)生位置相同。

　　通過對比得出控制臺在以9g加速度作為設(shè)計輸入時，產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力13Mpa，強度尚有一定的裕量，以12g加速度作為極限狀態(tài)進行分析時，產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力已接近材料的屈服極限。因此控制臺在滿足極限狀態(tài)加速度的工況下，結(jié)構(gòu)安全性也是滿足要求的。