ABAQUS在机载机柜结构设计中的应用

ABAQUS在机载机柜结构设计中的应用
摘要：应用有限元分析软件ABAQUS对某机载环境下的电子机柜在设计阶段进行动力学分析，验证机柜结构设计的合理性，确保机柜结构强度满足安全使用要求，发现机柜结构的薄弱区域，防止由于设计不合理导致电子机柜在机载环境下使用过程中存在安全隐患。

使用ABAQUS分析可提高机柜设计的可靠性，缩短开发周期。

关键词：机柜；结构；ABAQUS；
0 引言
机载机柜用于某型飞机试飞过程中监控数据和图像的平台。

在飞机运动过程中，振动、冲击、离心力等复杂的工况容易导致机柜结构出现损伤、导致电子设备失灵、失效，严重时会影响试飞的安全。

其中危害最大的是振动和冲击。

在设计阶段除采用隔震器进行振动、冲击隔离之外，机柜结构的刚度及固有频率满足机载环境的特殊要求，保证机柜能正常的工作。

使用ABAQUS对机柜行进动力学的仿真和分析，根据分析结果对机柜的结构进行优化设计。

1 模型导入
机柜由框架、侧板、后门板、顶板、托盘等通过焊接、螺栓连接、连杆锁等方式组装而成。

主体框架为2mm钢板折弯焊接加工而成，侧板、后门板、顶板为2mm铝板，托盘为2.5mm铝板。

机柜用槽型梁与底板连接，槽型梁是通过地板导轨的连接孔，用滑轨螺母固定在飞机地板导轨上。

机柜框架焊接有立柱，立柱有模数孔，可用于固定托盘，托盘能够上下调节，单层称重＞30kg，满足不同高度的使用。

机柜底板有加强筋，能够保证隔振器的安装强度，机柜在受到振动、冲击情况下不变型。

建立有限元模型是进行力学分析的基础。

本文机柜的三维模型采用Creo2.0建立后，在转化为STP格式后导入到ABAQUS/CAE中。

机柜主框架作为承受振动冲击的主要载体，其结构强度决定了机载机柜结构
强度能否满足实际的工作环境。

在导入机柜模型到ABAQUS/CAE之前，为保证分
析结果的准确，减少有限元模型的单元数量，机柜框架作为主要的受力部件，测
试设备都通过托盘装配在机柜框架上。

在导入机柜模型时将机载机柜的左右侧板、顶板隔板等从模型中删除，在导入到有限元软件中，简化模型，提高力学分析的
效率。

在导入过程中对模型进行优化处理。

若模型导入后出现警告，则需要对导
入的模型进行修复。

知道导入的模型不在出现警告等问题。

图 1 模型导入
2 材料及截面属性的建立
在ABAQUS/CAE的Property模块中建立碳钢的材料，输入相应的性能参数。

随后创建类型为Solid，Homogeneous的截面属性赋予机柜的各部分。

在ABAQUS
材料编辑窗口中添加对应材料的的杨氏模量和泊松比等参数，设置钢板杨氏模量2.06E5，泊松比0.3。

ABAQUS/CAE 不能直接把材料属性赋予模型，而是先创建包含材料属性的截
面特性，再将截面特性分配给模型的各区域。

根据机柜进行力学分析的类型，
建立Solid（实体）-Homogeneous（均匀体）和 Generalized plane strain（一
般平面应变）的截面特性。

建立完成后将建立的钢板材料属性添加到建立的截面
特性中，并将截面特性分配给整个机柜模型。

3 创建装配体
在 Part 功能模块中导入的机柜模型，整个过程都是在局部坐标系下进行的。

必须将其在统一的整体坐标系中进行装配，使其成为一个整体，这部分工作在Assembly 功能模块中进行。

创建Independent (mesh on instance)独立的部件
实体，为后续网格划分和进行力学打下基础。

4 网格划分
机载机柜的模型网格的划分是模型模型进行力学分析的基础，网格划分的质
量决定了力学分析能否得到预期的结果。

根据机载机柜的机构特点选择对应的单
元类型。

首先要对机柜模型设置部件种子，为保证能得到预期的分析结果，在设
置种子时，可适当增大种子密度，对于机柜模型较复杂部分可使用边种子对该区
域种子进行加密，种子密度的增加可在保证分析能顺利进行的基础上，使得网格
化后的模型能更好的模拟机载机柜的真实状况。

设置部件种子后可对模型进行单元的划分，单元类型ABAQUS会根据模型的
结构推荐使用相应的单元类型和单元的划分方法。

本次分析中使用默认的单元类
型Tet（四面体）和网格划分方法和算法Free（自由网格划分技术）。

5 力学分析
机载机柜工作环境复杂，并参考对应的试验依据GJB 150.16A-2009《军用装
备试验室环境试验方法第16部分：振动试验》，振动冲击的试验条件由峰值加
速度确定，峰值加速度的大小能直观的反映出施加给产品的冲击力的大小。

由于
产品的结构大都是线性系统，即使是非线性系统，在应变不大的情况下，也可以
看作是线性系。

所以，产品受冲击后所产生的响应加速度与激励加速度是成比例的。

一般情况下峰值加速度愈大，对产品的破坏作用愈大。

参照GJB 150.16A-2009《军用装备试验室环境试验方法第16部分：振动试验》中的737型飞机振
动图谱。

表 1 737型飞机振动参数表
因此根据飞机工作状态，在进行力学分析时选择建立Dynamic, Explicit分析步，对于大模型的瞬时动力学分析和高度不连续事件的分析特别有效。

根据机柜实际工作环境（安装飞机具体机型），确定机载机柜的具体工作环境为要求在机柜内加装80kg负载情况下，满足9g加速度冲击要求，为测试机柜极限情况，我们将模拟负载增加到100kg。

机载机柜实际使用中为固定在飞机地轨中，根据实际工作环境对机柜施加对应的边界条件。

将机柜底板作为边界条件的施加部位，约束机柜的全部自由度。

图 2 边界条件
施加边界条件和载荷后，将任务提交到有限元处理模块ABAQUS/Standard中进行仿真计算，得到在该工况下的主框架的应力和应变云图。

图 3 应变图
图 4 应力图
通过分析计算，柜体的最大变形约为0.79mm，满足使用需求。

6 总结
按照收集的振动冲击试验条件，在机载机柜的三维模型设计阶段，使用ABAQUS力学分析技术对机载机柜进行振动冲击分析，在设计阶段对机载机柜的模型进行验证，根据分析结果对机柜的结构薄弱部位进行改进优化。

在今后新型号机载机柜的设计过程中提供一定的依据。

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