唐 超，杨 涛，陈 强
(贵州航天林泉电机有限公司 国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州 贵阳 550008)
摘 要：控制器作为系统的中枢部件，其动力学特性直接影响整机的性能。以某航空电动机控制器为例，利用ANSYS有限元技术对控制器进行了模态分析，根据所得模态参数，结合外界激振频率对控制器低频动态特性进行了优化。以模态分析为基础，结合控制器在实际工况下的加速度功率谱密度，对控制器进行了随机振动分析，得到控制器在固有激励下的响应特性，以验证结构强度及稳定性，调整薄弱处的刚度及质量分布，提高产品的可靠性水平。
关键词：控制器；模态分析；随机振动分析；ANSYS
Abstract： Controller acts as the central component of system and its dynamic characteristics directly affect whole machine performance. Take an aero motor controller as an example, apply finite element technique analysis controller modal, then according to modal parameters, optimizing the low frequency dynamic characteristics of the controller combined with external excitation frequency. Based on modal analysis, combine acceleration power spectrum density of the controller under actual conditions, controller is subjected to random vibration analysis, obtained response characteristics of the controller under inherent excitation, and used to verify structure strength and stability, adjust the stiffness and mass distribution at weak points and improve reliability level of the product.
Key words: controller, modal analysis, random vibration analysis, ANSYS
应用于某飞机的控制器通过电动机安装支架上4个φ6.5 mm通孔固定在机翼上。控制器内部结构复杂，包括80多种型号的350多只元器件，元器件通过管脚、支柱、螺钉、铆钉与印制板连接，印制板通过支柱和螺钉固定在壳体上，工作时随整机一起承受振动、冲击，难免出现强度不够或松脱现象。为提高整机的可靠性，应用有限元法对控制器的力学特性进行仿真分析，并根据仿真结果进行针对性的优化改进，从而缩短产品研发周期。
1.1 控制器建模方法及简化原则
控制器结构复杂，元器件众多，仿真计算会耗费大量时间，因此在不影响分析效果的前提下，建模时对控制器数字样机进行了如下简化：1)去掉尺寸较小的孔(如焊、镀通孔)；2)去掉尺寸较小的凸台；3)去掉尺寸较小的圆角(如倒角、倒圆)；4)适当省略小体积小质量部件，尽量使壳体质量不变，尺寸不变。鉴于ANSYS软件复杂建模功能的薄弱性，控制器模型通过UG7.5软件建立，并按上述简化原则将建好的模型导入ANSYS软件中。控制器有限元模型如图1所示。
图1 控制器有限元模型
1.2 控制器材料参数设置
控制器主要部件有控制板、驱动板1、驱动板2以及起支承固定作用的底座、盖板和紧固件等。元器件分别安装或焊接在控制板、驱动板上。
材料参数设置的精确度直接决定了仿真结果的准确性。控制器中，底座和盖板材料采用铝板(2A12-T4)，紧固件材料采用不锈钢2Cr13，控制板和驱动板材料采用FR4(玻璃纤维环氧树脂)，在ANSYS软件材料库中可直接加载。电子元器件有电阻、电容、晶体管和集成电路，由于元器件不是由单一材料构成，无法从ANSYS软件材料库中直接加载，需按照各元器件的封装形式及密度新建材料，新建材料物理参数见表1，密度ρ1、ρ2、ρ3由元器件厂家提供[1]。
表1 元器件物理参数
封装形式弹性模量/GPa泊松比密度/kg·m-3陶瓷封装2200.22ρ1金属封装710.33ρ2塑料封装3.50.35ρ3
1.3 网格划分
控制器结构复杂，元器件尺寸大小不等，因此网格划分采用了扫掠、单元大小控制及多区域划分法等，分别对各零组件进行网格划分，以保证网格质量能够满足要求。最终计算得到的网格数量为578 521，采用ANSYS软件中自带的算法进行网格质量检验，确保网格质量满足要求。控制器网格划分模型如图2所示。
图2 控制器网格划分模型
模态分析是研究结构动力特性的一种方法，模态是机械结构的固有振动特性，通过模态分析可以确定机械结构在一定频率范围内的振动特性，即结构的固有频率和固有振型。根据控制器的实际安装方式及工作状态，振动应力分析初始状态及约束方式记录见表2。
表2 振动分析全局参数
条件序号功率谱密度/g2·Hz-1激励条件约束条件激励位置激励方向振动谱型约束位置约束方向阻尼系数阶数12340.009560.003120.002160.002 4个安装孔位置 4个安装孔的6个自由度 见图5 4个安装孔位置进行固定约束 4个安装孔的6个自由度方向 瑞利阻尼(α=0.04,β=0.04)4
对控制器有限元模型求解，采用Block Lanczos法提取前4阶固有频率(见表3)。前2阶弯曲模态振型及发生的最大位置如图3和图4所示。
表3 控制器模态频率及位置
阶数固有频率/Hz局部模态位置1195.43霍尔2305.87控制板13472.66控制板24520.73控制板2
图3 产品1阶模态
图4 产品2阶模态
2.1 模态结果分析评判原则
按系统环境要求，控制器在工作时受到的激振频率主要有如下几个方面：1)飞机在起动滑跑、着陆滑跑时路面不平度对机轮的激励频率；2)在飞行过程中受到大气的激振频率；3)飞行中受到电动机运转时产生的振动频率。
如果这些激振频率与控制器的某一固有频率相吻合，就会产生共振，并导致很大的共振动载荷，造成控制器器件有被损坏的危险。验证的原则是：1)控制器固有频率应避开路面不平度造成的激励频率；2)控制器固有频率应避开大气的激振频率；3)控制器固有频率应避开电动机工作产生的振动频率。
2.2 路面不平度对控制器动态性能的影响
路面不平度的激励频率计算式为：
f=3.6 LminVmax
(1)
式中，Vmax是飞机滑跑最大速度，单位为km/h；Lmin是路面不平度的波长，单位为m。按系统分配值Vmax=250 km/h及Lmin=0.9 m计算，代入式1，可得激励频率f=77.16 Hz。与表3中控制器固有频率进行比较可知，该激励频率远低于控制器的固有频率；因此，不会发生共振。
2.3 大气的激振频率对控制器动态性能的影响
按总体提供的参数可知，大气激振频率≤100 Hz，与表3中控制器固有频率相比可知，该激励频率远低于控制器的固有频率；因此，在飞行中不会因大气的激振频率引发控制器共振现象。
2.4 电动机运转对控制器动态性能的影响
电动机激励频率计算式为：
f=
(2)式中，n是电动机转速，单位为r/min，控制器电动机转速为300～3 200 r/min；p是电动机级数，级数p=4。代入式2可得，电动机激励频率为20～213.3 Hz，对照表3可知，控制器1阶频率195.43 Hz刚好落在电动机激励频率范围内；因此，电动机工作时极有可能引起霍尔发生共振，故需对霍尔的尺寸结构或安装方式进行优化，使1阶频率避开电动机激励频率。
2.5 控制器结构优化
从图3可知，控制器1阶固有频率发生在霍尔上，振型沿底部两安装螺钉连线左右偏摆，因体积所限，霍尔仅通过2颗M3螺钉安装在底座上，稳定性较差。在对结构进行优化后，改为2颗M4的螺钉。由于振动的幅值与器件的高度成正比，现用霍尔高度为45 mm，在不影响霍尔性能的前提下进行优化，与器件厂家协商后将高度降低到40.5 mm。
结构优化前、后的仿真模态对比见表4。1阶模态虽然仍发生在电流霍尔上，但其频率已经避开了电动机激励频率，改进是有效的。
表4 控制器优化前、后模态对比
阶数优化前固有频率/Hz优化后固有频率/Hz局部模态位置1195.43225.47霍尔2305.87314.72控制板13472.66469.32控制板24520.73521.65控制板2
随机振动分析是以模态分析的结果为基础，它求解的是在随机激励作用下的位移、应力和加速度等物理量的概率分布情况，进而得出产品设计中存在的相关薄弱环节，以指导设计对产品的改进和优化。系统振动谱型如图5所示。以模态分析结果为基础，按图5施加边界条件，计算求解可得产品随机振动加速度响应云图及位移响应云图分别如图6和图7所示。
图5 振动谱型图
图6 产品加速度响应云图
图7 产品位移响应云图
由分析结果可知，随机振动最大加速度响应量值为58.5g，发生在驱动板1棱边处，响应量值偏大。原因为驱动板1通过固定在壳体上的4个立柱支承，立柱高度偏高且直径较小，刚度不够，在振动响应时振幅较大[2]。位移响应最大值为0.057 mm，发生在霍尔棱边上，霍尔通过耳片上2颗螺钉固定，霍尔体积较大，在随机振动响应时振幅较大。
针对仿真结果对控制器内部结构进行了优化，将立柱外径由4.5 mm增加到5.5 mm，高度减少2 mm，2颗M3螺钉更换为M4螺钉，并在霍尔顶端增加两耳片，用2颗M2螺钉固定在控制板上。改进后，仿真测得加速度响应值为47.7g，响应量值基本合理。
按用户力学环境试验要求，控制器在后期进行了实物验证，按图5规定在振动台上对控制器进行了10～1 000 Hz的扫频振动试验。试验结果未出现尖峰幅值异常情况，试验后控制器各器件完好，未出现器件损坏或变形。说明模型仿真与物理试验结果基本吻合。
本文应用ANSYS软件对某航空控制器产品进行了模态分析和随机振动分析。通过模态分析得到了控制器固有频率及发生的位置，为控制器的结构设计及优化提供了依据。通过随机振动分析得到了控制器在固有激励下的响应特性，发现了控制器设计中的可靠性薄弱环节，并对其进行了适当的修正。应用有限元模拟仿真作为产品方案设计中的重要验证环节，可有效规避产品结构设计中不可预知的缺点和错误，节约大量的物理样机测试成本。
参考文献
[1] 张朝晖. ANSYS 11.0结构分析工程应用实例解析[M]. 2版. 北京：机械工业出版社，2008.
[2] 刘鸿文. 材料力学[M]. 北京：高等教育出版社，2011.
责任编辑 郑练
TANG Chao, YANG Tao, CHEN Qiang
(National Engineering Research Center for Small and Special Precision Motors, Guizhou Aerospace Linquan Motor Co., Ltd., Guiyang 550008, China)
中图分类号：TM 301.2
文献标志码：A
作者简介：唐超(1981-)，男，硕士，工程师，主要从事航空产品机械结构设计及仿真等方面的研究。
收稿日期：2017-05-25
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