CN111625982B - 一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，包括：步骤1：在Ansys软件中建立便携导航设备的有限元模型，包括构建结构模型、设置材料和材料属性、设置接触类型、进行网格划分、以及设置约束；步骤2：设置冲击脉冲，并根据冲击脉冲划分载荷步，所述载荷步包括起始阶段、冲击持续阶段、冲击恢复阶段和冲击停止阶段，冲击恢复阶段持续时间为冲击脉冲持续时间的百分之一到十分之一，在Ansys软件中进行有限元分析，得到第一分析结果；步骤3：当所述第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，结束分析；当所述第一分析结果不满足冲击与坠撞要求时，修改所述有限元模型的参数，并在Ansys软件中进行有限元分析。

Description

一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法

技术领域

本发明涉及导航设备领域，特别涉及一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法。

背景技术

便携导航设备一般直接安装在载体中，通过测量载体相对于惯性空间的线运动和角运动参数并计算，实现对载体的导航功能。便携导航设备一般以直接固连的方式安装在载体上，当载体受到冲击时，便携导航设备容易从载体上分离或者脱落，在与载体分离或脱落后，更容易因冲击或坠撞而出现不能正常使用的情况，因此在导航设备的设计阶段，就需要考虑导航设备受到冲击与坠撞的情形，一般通过预先进行冲击与坠撞分析，验证导航设备在经受飞机正常飞行期间遭遇冲击时能否继续在性能标准范围内工作。

传统的分析方法主要是：生产出真实的便携导航设备，依据载体在实际工作过程中所面临的真实的冲击与坠撞环境，构建冲击与坠撞试验模型，将真实设备置于试验模型中，开展冲击和坠撞试验，验证设备在冲击与坠撞环境下的使用性能。但是这样的方法分析周期较长，严重影响导航设备的生产进度；且由于需要生产出导航设备进行试验，试验成本较高，同时对冲击与坠撞试验模型及试验环境搭建要求较高，实现有效的冲击与坠撞过程的模拟较为困难，而导致不能进行有效的分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述传统分析方法分析周期较长，试验成本较高，且对试验模型及环境搭建要求较高，实现冲击与坠撞过程的模拟较为困难导致不能进行有效分析的不足，提供一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，包括以下步骤：

步骤1：在Ansys软件中建立便携导航设备的有限元模型，包括构建结构模型、设置材料和材料属性、设置接触类型、进行网格划分、以及设置约束；

步骤2：设置冲击脉冲，并根据所述冲击脉冲划分载荷步，所述载荷步包括起始阶段、冲击持续阶段、冲击恢复阶段和冲击停止阶段，所述冲击恢复阶段持续时间为所述冲击脉冲持续时间的百分之一到十分之一，在Ansys软件中进行有限元分析，得到第一分析结果；

步骤3：当所述第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，结束分析；当所述第一分析结果不满足冲击与坠撞要求时，修改所述有限元模型的参数，并在Ansys软件中进行有限元分析。

本发明所述一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，基于Ansys软件平台，建立便携导航设备的有限元模型进行冲击与坠撞分析，不必生产出实际的导航设备来进行试验，降低了试验成本，且试验模型和试验环境搭建也更加方便，实现了对便携导航设备冲击与坠撞试验的数字仿真与分析，分析结果更为有效。同时在划分载荷步时，由于实际的设备并不能在冲击持续阶段后直接进入冲击停止阶段，因此在冲击持续阶段与冲击停止阶段之间增加了冲击恢复阶段，并且冲击恢复阶段的持续时间相对于整个冲击脉冲的持续时间较小，为百分之一到十分之一，能够在不影响分析结果的情况下有效提高分析的成功率，缩短分析的时间。

优选的，所述步骤1的网格划分为粗网格划分，所述步骤3中，当所述第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，再对所述有限元模型进行细网格划分，并在Ansys软件中进行有限元分析，得到第二分析结果，当所述第二分析结果满足冲击与坠撞要求时，则结束分析。本发明初次分析时使用粗网格划分，可以减少网格划分的时间，节省整个分析的时间，能够提高有限元分析的速率，较快的得到分析结果；在第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，再进行细网格划分，提高分析结果的准确性。所述细网格的网格尺寸小于所述粗网格的网格尺寸，且所述细网格的网格尺寸一般小于所述粗网格的网格尺寸的一半。

优选的，所述细网格划分，包括：调整所述粗网格划分的网格设置，并添加相关性中心、平滑度、过渡和跨角度中心、以及refinement单元，对所述结构模型的局部区域进行网格细化。对局部区域进行网格细化，在不同部位采用不同的网格进行网格划分，比如在结构模型的关键部位增加网格数量进行细化，在次要部位不进行增加，可以提高分析结果的精度以及准确性。

优选的，对所述结构模型的局部区域进行网格细化，具体包括：对电路板的安装孔、连接器的安装孔、导航设备安装面和导航设备外壳接缝处，通过refinement设置网格细化等级，进行局部区域网格细化。

优选的，所述步骤2，包括：根据机载设备环境条件与测试规程，确定冲击脉冲的形状、持续时间、峰值加速度和容差，然后在Ansys软件中设置冲击脉冲并划分载荷步。

优选的，所述步骤1，具体包括：根据便携导航设备的结构建立三维结构模型，对所建立的三维结构模型进行预处理，得到导航设备结构模型；在Ansys软件中建立瞬态结构分析工程，在所述瞬态结构分析工程的engineering data模块中设置所述导航设备结构模型需要用到的结构材料和对应的材料属性；将所述导航设备结构模型导入所述瞬态结构分析工程中，将设置好的所述结构材料和对应的材料属性指定到所述导航设备结构模型的各个部件；基于便携导航设备的结构接触情况，对所述导航设备结构模型的各个所述部件的接触类型进行设置；设置网格划分的尺寸与类型，对所述导航设备结构模型进行网格划分；对所述导航设备结构模型设置约束信息，确定所述导航设备结构模型在载体上的自由度。

优选的，所述步骤1中，设置的材料为2A12铝合金，材料属性包括材料密度、泊松比、弹性模量、屈服强度和剪切模量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，基于Ansys软件平台，建立便携导航设备的有限元模型进行冲击与坠撞分析，不必生产出实际的导航设备来进行试验，降低了试验成本，且试验模型和试验环境搭建也更加方便，实现了对便携导航设备冲击与坠撞试验的数字仿真与分析，分析结果更为有效。

2、在划分载荷步时，设置冲击恢复阶段并且冲击恢复阶段的持续时间相对于整个冲击脉冲的持续时间较小，为百分之一到十分之一，能够在不影响分析结果的情况下有效提高分析的成功率，缩短分析的时间。

3、初次分析时使用粗网格划分，可以减少网格划分的时间，节省整个分析的时间，能够提高有限元分析的速率，较快的得到分析结果；在第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，再进行细网格划分，提高分析结果的准确性。这样进行网格划分不仅提高了分析效率，也提高了分析准确性。

附图说明：

图1是本发明所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法实施例所述网格划分的示意图。

图2是本发明所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法实施例中得到的等效应力云图的示意图。

图3是本发明所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法实施例中载荷步的示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，包括以下步骤：

步骤1：在Ansys软件中建立便携导航设备的有限元模型，包括构建结构模型、设置材料和材料属性、设置接触类型、进行网格划分、以及设置约束；

本实施例中，Ansys软件装载在计算机上进行运行，步骤1具体包括：根据便携导航设备的结构建立三维结构模型，对所建立的三维结构模型进行预处理，得到导航设备结构模型；在Ansys软件中建立瞬态结构分析工程，在所述瞬态结构分析工程的engineeringdata模块中设置所述导航设备结构模型需要用到的结构材料和对应的材料属性；将所述导航设备结构模型导入所述瞬态结构分析工程中，将设置好的所述结构材料和对应的材料属性指定到所述导航设备结构模型的各个部件；基于便携导航设备的结构接触情况，对所述导航设备结构模型的各个所述部件的接触类型进行设置；设置网格划分的尺寸与类型，对所述导航设备结构模型进行网格划分；对所述导航设备结构模型设置约束信息，确定所述导航设备结构模型在载体上的自由度。

具体的，采用Solidworks或者Pro/E三维结构软件对便携导航设备的结构建立三维结构模型，对所建立的三维结构模型进行预处理，包括：对于结构复杂且对分析结果影响较小的部件，采用简化处理，例如：使用带有安装基座的梯形凸台结构替代串口连接器；使用带有安装孔的尺寸相等的长方体结构替代电路板；使用带基座的空心圆柱结构替代天线连接器；替代结构部件的材料和被替代的部件的材料一致且重量设置尽量与原部件相同；另外，对于对分析结果较为重要的结构部件，检查是否有干涉、多余的面等容易在网格划分中导致出错的结构特征，并对此修复。试验中对建好的三维结构模型的结构部件做了简化处理，得到导航设备结构模型。

试验中，在engineering data模块中设定导航设备的结构材料为2A12铝合金，根据金属材料手册，设置对应的材料属性包括材料密度、泊松比、弹性模量、屈服强度和剪切模量。

接触是依据两个物体之间是否有切向和法向的相对分离来进行划分的，在两个相互接触的物体之间，也只能发生这两种运动，要么在发现法线方向上可以分开，要么在切线方向上可以发生相对移动。包括下面的情况：当法线方向不可分开，切线方向也不可发生相对滑动，选择boneded(绑定)；当法线方向不可分开，切线方向可以发生轻微的无摩擦滑动，选择no separation(不分离)；当法线方向可以分开，切线方向也不可以发生相对滑动，选择rough(粗糙的)；当法线方向可以分开，切线方向也可以发生相对滑动，且没有摩擦力，选择frictionless(无摩擦)；当法线方向可以分开，切线方向可以发生相对滑动，存在摩擦力，选择frictional(有摩擦)。

试验中，基于便携导航设备的结构接触情况，对所述导航设备结构模型的各个所述部件的接触状态进行检查，得到检查结果，若检查结果中所述部件的接触状态存在缺失，则将对应部件的接触类型进行设置，使得所述导航设备结构模型的各个所述部件的接触情况与所述便携导航设备的结构接触情况一致。

试验中，在尺寸函数里设置网格划分的尺寸与类型，对所述导航设备结构模型进行网格划分，如图1所示，具体的设置网格尺寸为3mm，类型为六面体网格。试验中，将导航设备结构模型中的安装孔设置为约束面，选择约束类型为fixed support。

步骤2：设置冲击脉冲，并根据所述冲击脉冲划分载荷步，所述载荷步包括起始阶段、冲击持续阶段、冲击恢复阶段和冲击停止阶段，所述冲击恢复阶段持续时间为所述冲击脉冲持续时间的百分之一到十分之一，在Ansys软件中进行有限元分析，得到第一分析结果；

本实施例中，根据机载设备环境条件与测试规程，确定冲击脉冲的形状、持续时间、峰值加速度和容差，然后在Ansys软件中设置冲击脉冲并划分载荷步。具体的，确定冲击脉冲的形状为后峰锯齿状，持续时间为11ms，最大冲击峰值加速度为20g。其中，g表示重力加速度。

根据所述冲击脉冲的形状划分载荷步，其中，如图3所示，载荷步可划分为4阶段，包括起始阶段、冲击持续阶段、冲击恢复阶段和冲击停止阶段，分别对应的冲击加速度为0g、0-20g(线性增加)、20-0g(线性减小)和0g，冲击作用的方向X+、X-、Y+、Y-、Z+和Z-共六个方向，不同方向上的冲击加速度都相同。一般来说载荷步划分为3阶段，起始阶段、冲击持续阶段和冲击停止阶段，但由于实际的设备并不能在冲击持续阶段后直接进入冲击停止阶段，因此在冲击持续阶段与冲击停止阶段之间增加了冲击恢复阶段，这个阶段的持续时间非常小，相对于整个冲击脉冲的持续时间约为百分之一到十分之一，可以在不影响分析结果的情况下有效提高分析的成功率，缩短分析的时间。

划分载荷步后，确定载荷步结束时间、确定最小载荷步以及确定最大载荷步并进行设置，设置好后，Ansys软件运行进行分析求解，如图2所示，得到导航设备结构模型受到冲击时的等效应力云图。根据所述等效应力云图的颜色判断所述导航设备结构模型各个所述部件是否超出可承受的最大应力，从而分析导航设备结构模型是否满足冲击和坠撞要求。

具体的，等效应力云图中颜色最明亮的区域表示承受应力最大的区域，对比该区域所用材料可承受的最大应力，进而分析设备是否会受到损坏，若超出该区域所用材料可承受的最大应力，说明不满足冲击与坠撞要求；若没有超出该区域所用材料可承受的最大应力的允许范围内，说明满足冲击与坠撞要求。

步骤3：当所述第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，结束分析；当所述第一分析结果不满足冲击与坠撞要求时，修改所述有限元模型的参数，并在Ansys软件中进行有限元分析。

本实施例中，所述步骤1的网格划分为粗网格划分，所述步骤3中，当所述第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，再对所述有限元模型进行细网格划分，并在Ansys软件中进行有限元分析，得到第二分析结果，当所述第二分析结果满足冲击与坠撞要求时，则结束分析。粗网格划分在尺寸函数(sizing)只设置了网格尺寸和网格类型；细网格划分包括：在尺寸函数(sizing)调整粗网格划分的网格设置，并添加相关性中心、平滑度、过渡和跨角度中心、以及refinement单元，能够对网格的细化程度以及网格单元数量进行控制，从而对所述结构模型的局部区域进行网格细化。进行局部区域网格细化时，结构模型中不同的部件一般采用不同的网格尺寸与网格类型进行网格细化，例如：在电路板的安装孔、连接器的安装孔、导航设备安装面和导航设备外壳接缝处，通过refinement设置网格细化等级，进行局部区域网格细化。

当第一分析结果不满足冲击与坠撞要求时，即试验得到的等效应力云图中承受应力最大的区域超出该区域所用材料可承受的最大应力，那么就需要对构建有限元模型的参数进行修改，如重新设计结构、更改材料以及材料属性等，然后构建有限元模型并进行其他参数的设置，然后在Ansys软件中进行分析。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在Ansys软件中建立便携导航设备的有限元模型，包括构建结构模型、设置材料和材料属性、设置接触类型、进行网格划分、以及设置约束；

步骤2：设置冲击脉冲，并根据所述冲击脉冲划分载荷步，所述载荷步包括起始阶段、冲击持续阶段、冲击恢复阶段和冲击停止阶段，所述冲击恢复阶段持续时间为所述冲击脉冲持续时间的百分之一到十分之一，在Ansys软件中进行有限元分析，得到第一分析结果；

步骤3：当所述第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，结束分析；当所述第一分析结果不满足冲击与坠撞要求时，修改所述有限元模型的参数，并在Ansys软件中进行有限元分析；其中，等效应力云图中颜色最明亮的区域表示承受应力最大的区域，对比该区域所用材料可承受的最大应力，进而分析设备是否会受到损坏，若超出该区域所用材料可承受的最大应力，说明不满足冲击与坠撞要求；若没有超出该区域所用材料可承受的最大应力的允许范围内，说明满足冲击与坠撞要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，其特征在于，所述步骤1的网格划分为粗网格划分，所述步骤3中，当所述第一分析结果满足冲击与坠撞要求时，再对所述有限元模型进行细网格划分，并在Ansys软件中进行有限元分析，得到第二分析结果，当所述第二分析结果满足冲击与坠撞要求时，则结束分析。

3.根据权利要求2所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，其特征在于，所述细网格划分，包括：调整所述粗网格划分的网格设置，并添加相关性中心、平滑度、过渡和跨角度中心、以及refinement单元，对所述结构模型的局部区域进行网格细化。

4.根据权利要求3所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，其特征在于，对所述结构模型的局部区域进行网格细化，具体包括：对电路板的安装孔、连接器的安装孔、导航设备安装面和导航设备外壳接缝处，通过refinement设置网格细化等级，进行局部区域网格细化。

5.根据权利要求1所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，其特征在于，所述步骤2，包括：根据机载设备环境条件与测试规程，确定冲击脉冲的形状、持续时间、峰值加速度和容差，然后在Ansys软件中设置冲击脉冲并划分载荷步。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于Ansys的便携导航设备的冲击与坠撞分析方法，其特征在于，所述步骤1，具体包括：根据便携导航设备的结构建立三维结构模型，对所建立的三维结构模型进行预处理，得到导航设备结构模型；在Ansys软件中建立瞬态结构分析工程，在所述瞬态结构分析工程的engineeringdata模块中设置所述导航设备结构模型需要用到的结构材料和对应的材料属性；将所述导航设备结构模型导入所述瞬态结构分析工程中，将设置好的所述结构材料和对应的材料属性指定到所述导航设备结构模型的各个部件；基于便携导航设备的结构接触情况，对所述导航设备结构模型的各个所述部件的接触类型进行设置；设置网格划分的尺寸与类型，对所述导航设备结构模型进行网格划分；对所述导航设备结构模型设置约束信息，确定所述导航设备结构模型在载体上的自由度。