摘要：本文以某設備支架為例，借助MSC/NASTRAN軟件，應用動力學理論和工程設計方法對該部件進行了相關分析和設計。通過控制支架頻率、響應加速度均方根值和結構剛度的動力學設計以避免低頻振動，從而成功的解決了該設備支架的設計問題并重新設計了新的支架。

關鍵詞：結構動力學、隨機響應、動強度設計。

1前言

設備支架是飛機結構中常見的結構，其不僅要承受設備的載荷影響，同時還要承受飛機嚴酷的振動環境，因此對有關設備支架展開動強度設計是非常必要的。

某控制器在飛機飛行中，由于設備支架振動嚴重，影響該設備的使用，因此對這個支架需要進行綜合的設計。

為了對支架設計提供動強度設計依據，特對支架結構建立有限元模型，使用MSC/NASTRAN軟件[1]進行了一系列隨機響應分析。通過分析得到結構重點部位的加速度及共振頻率，并根據計算結果對支架進行了一系列動強度設計，最終解決問題。同時也為今后同類動力學問題的分析探索了一套工程實用的計算方法和設計技術。

2支架結構和故障

某控制器在飛機上采用插片方式安裝在一個專用支架上，支架又通過四個固定點固定在右設備艙上。2006年該控制器在飛機飛行中，由于設備支架振動嚴重，從而影響該設備的使用，因此該設備支架在該設備生產廠進行了振動試驗。試驗條件是將該支架按照飛機上安裝的四個安裝點固定到振動臺上，再將控制器安裝到支架上進行振動試驗，并在支架上控制器螺釘固定處放置了傳感器，振動試驗按0.04g2/Hz和0.07g2/Hz兩個值進行兩次試驗。根據試驗曲線，發現在低頻段支架對振動有放大。然后，該廠針對控制器支架進行支架的振動試驗，試驗結果表明，支架的確在低頻段出現較大振動。

這個試驗的機理就是動強度分析中的隨機響應分析。針對這個問題，本文中進行的工作是，第一步完成目前支架的隨機響應分析，復現支架振動試驗的結果，驗證計算方法的正確性和準確性。第二步完成支架的改進設計和隨機響應分析。

支架的更改設計和分析是本項工作的重點，對支架結構進行動強度設計，是目前解決問題的方法之一。在進行多輪分析和方案更改設計后，本文提供幾種動強度設計后，支架解決低頻振動的方案，供有關人員參考。

3隨機響應分析的基本理論

    在MSC/NASTRAN軟件中，使用頻率響應的方法計算隨機響應，其理論如下：

根據頻率響應分析：

uj(ω) =Hja(ω)*F a(ω)         （1）

式中：Hja(ω)是頻響函數或傳遞函數。

如果我們有一些輸入，那么：

uj(ω) =Hja(ω)*F a(ω)+ Hjb(ω)* Fb(ω)+…..                （2）

 將其寫為矩陣形式：

輸出的自相關譜為：

 各自的輸入譜為：

于是輸入輸出關系為：

4 故障支架的隨機響應分析

將整個支架使用板元模擬，再使用剛體元模擬振動臺，使用MSC/NASTRAN軟件中的基礎激勵方法對設備支架進行隨機響應分析。

    分析結果曲線和試驗結果曲線如圖3、圖4所示。

通過分析發現，支架結構的確很弱，支架在f=84.9Hz處,加速度峰值RMS＝6.77g，與試驗結果RMS=6.5g吻合。控制器安裝位置的兩個點634號，635號的響應加速度均方根值分別為：3.028464E+05 mm/s2約30g；3.276618E+05 mm/s2約32g。控制器壓塊附近點795號響應加速度均方根值為：2.509582E+05 mm/s2約25g。中間位置點704號，837號的響應加速度均方根值分別為：5.016224E+05 mm/s2約50g；5.208227E+05 mm/s2約52g。從有關曲線研究，加速度響應峰值出現在低頻段，這必將發生高位移幅值的振動。因此，支架結構應當加強，以改善目前的振動狀態。

5設備支架的更改設計

5.1 方案一

在原來支架的基礎上增加腹板彎邊的高度然后增加一塊底板，使腹板形成一個封閉的角盒，以增加支架的抗彎剛度，從而提高支架的結構頻率。更改后的設備支架有限元模型如圖5所示。

通過分析，其結果表明，加速度響應峰值出現在100多Hz，結構得到明顯加強。這樣的計算結果表明，結構只會出現低位移幅值的振動。但由于安裝位置空間的限制，這個方案無法實現而取消。

5.2 方案二

在上一個方案無法使用的情況下，只有使用分體式的支架，具體支架形式如圖6所示。

從圖7可以看出，目前的支架結構，在100多Hz出現一個明顯的峰值，再查計算結果文件，計算結果表明，在113Hz～126Hz這個區域，Z向加速度有明顯的高振動響應加速度，這對結構的振動疲勞壽命有影響，因此仍然不是好的設計，目前只能根據計算判斷，這個支架方案好于原來的設備支架，但仍然需要試驗的驗證。

   5.3 方案三

    在方案二的基礎上，將支架的安裝角片進行封閉處理，然后再建立有限元模型，進行隨機響應分析。

    通過計算，控制器安裝位置點的有關響應數據如下：

    總的均方根值為：29.5g。

    f₁=132.6Hz    峰值RMS=4.75g

    f₂=186.8Hz    峰值RMS=4.56g

    更改設計的支架結構，在100多Hz出現二個明顯的峰值，但響應加速度幅值明顯下降，共振頻率明顯提高。

    5.4 方案四

    在方案二的結構形式上，考慮阻尼結構的使用，降低結構的固有頻率，增大結構的阻尼，讓結構阻尼層吸收振動能量，達到減振的目的。具體方法是，將左側支架面板更改為夾層結構，在夾層中使用填充的大阻尼材料，這樣既可以確保結構的剛度，又可以增大阻尼，達到減振的目的。

    通過計算，控制器安裝位置點的有關響應數據如下：

    總的均方根值為：7.9g。

    f₁=145.1Hz  峰值RMS=1.7g

    f₂=146.5Hz  峰值RMS=1.42g

    f₃=147.2Hz  峰值RMS=1.22g

    更改設計的支架結構，在100多Hz出現明顯的峰值，但響應加速度峰值明顯下降，共振頻率明顯提高，在低頻段，振動明顯降低，因此，結構吸收能量效果明顯。所以，阻尼結構應當是能較好地解決這類問題的設計方法之一。

6 結論

    通過對該設備支架進行隨機響應分析、振動耐久性試驗以及動力學設計。其結果表明，通過動力學方法進行不同類型的設備支架設計、分析，試驗，可以確定最佳的設計方案，從而減少設計生產周期，達到快速解決飛行故障的目的。

    本文論述的支架結構，在確定方案三為最終結構設計方案后，對新支架重新進行試驗，得到的試驗結果同計算結果吻合很好。因此這種通過動強度設計來處理工程問題的基本方法是非常有效的，亦可以用于今后此類工程問題的處理之中。