航空机载温度传感器振动特性分析

摘要：文章采用有限元仿真分析软件ANSYS对某型航空机载温度传感器在随机振动载荷下的应力状态进行有限元分析，从而完成对结构的可靠性评估。根据有限元和随机振动相关理论，结合仿真分析结果，该型温度传感器在承受规定的随机振动载荷时，安全系数高，该结构具有足够的抗振强度，结构可靠性稳定。

关键词：温度传感器；随机振动；有限元仿真；ANSYS

1概述

航空机载传感器所经受的工作环境极为恶劣，在相当短的时间内会经受相当大的随机振动载荷，从而引起很大的交变应力，振动疲劳损伤非常严重[1]。因此，在产品设计阶段，采用随机振动理论对产品及各零部件结构进行振动特性仿真分析，找出各设计参数对产品性能的影响规律，并采取相应的改进措施，优化产品的结构，提高产品的结构稳定性，保证传感器在整个任务阶段不出现疲劳破坏。文章针对某型航空机载温度传感器进行了基于ANSYS的有限元振动疲劳仿真分析。通过计算随机振动的峰值应力值来对结构的可靠性进行考察，通过在共振频率点的应力响应来计算随机振动的峰值应力，比较峰值应力与材料的屈服极限的大小来考察结构的可靠性[2]，判断结构的抗振强度及薄弱位置，以确定结构设计方案的优劣，为结构进行改进和提高结构的可靠性提供依据。

2温度传感器产品概述

2.1产品功能

传感器安装在燃油控制装置壳体内，用于测量流经燃油控制装置内的计量燃油温度，并将燃油温度信号转变为电信号输送到电子控制器。

2.2产品组成

传感器主要由感温元件（1）、外壳（2）、套管（3）和盖（4）等构成。 

3振动特性仿真分析

3.1有限元计算前处理

3.1.1有限元模型的建立

根据温度传感器的设计图纸、装配关系和CAD数字样机建立有限元模型，对不影响产品结构强度的刻字、导线、装配螺纹等特征进行简化，对其他特征进行详细建模。传感器几何形状较为复杂，为保证足够的分析精度，重要部位尽量细化网格，共划分了41023个单元，72901个节点。

3.1.2传感器材料参数的设定

传感器的套管、外壳、盖等零件材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。

3.1.3传感器约束设定

根据实际安装情况，传感器通过外壳零件上的安装螺纹与燃油控制装置壳体上的安装孔相连，因此需对安装螺纹面施加固支约束。

3.2有限元计算结果及分析

3.2.1模态分析

模态分析用于确定设计中结构或部件的振动特性，即计算固有频率及振型。它是瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析等更详细的动力学分析的起点。文章基于有限元法的线性振动理论，应用ANSYS软件模态分析中的子空间法（SubspaceMethod）[3]，对传感器结构的前6阶振动特性进行分析，计算结果如表2所示。从总体来看，传感器的固有频率较高，各阶固有频率均在2000Hz以上，即当产品所承受的振动载荷频率在2000Hz以内的振动载荷时，不会因发生共振而导致结构破坏。

3.2.2随机振动分析

随机振动分析也称功率谱密度分析（PSD），属于一种概率统计分析。功率谱密度是结构对随机动力载荷响应的概率统计，后处理结果为功率谱密度-频率关系曲线。有限元随机振动分析就是建立在对结构进行振动分析得到结构的各阶振型和固有频率的基础上，进一步根据所给的加速度功率谱求出结构在这些随机激励下的位移响应和应力响应。文章利用ANSYS软件对传感器进行随机振动特性进行仿真计算[4]，通过对响应的分析为结构可靠性设计提供理论依据.

4结束语

文章利用仿真分析软件ANSYS对某型温度传感器的振动特性进行了分析和校核，以确定产品结构的可靠性，得到以下结论：（1）传感器的固有频率较高，前6阶固有频率均在2000Hz以上，因此当产品所承受的振动载荷频率在15Hz～2000Hz以时，不会因为共振而产生结构失效的可能。（2）传感器按功能振动谱承受沿三轴向的随机振动载荷时，其应力水平和变形量都非常低，屈服安全系数均在44以上，振动载荷对传感器结构可靠性影响不大，因此该结构具有足够的强度。

作者:彭艳 张磊 钱学富 单位:苏州长风航空电子有限公司

参考文献:

[1]姚起杭.姚军防止结构振动疲劳的设计技术[J].飞机工程，2006，3：9-11.

[2]郭建平，任康，杨龙，等.基于MSC.Fatigue的电子设备随机振动疲劳分析[J].航空计算技术，2008，28（4）：48-50.

[3]黄康，仰荣德.基于ANSYS的汽车横向稳定杆疲劳分析[J].机械设计，2008，25（12）：66-68.

[4]徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1988.