潘正涛 王继楠 王鹤春

摘 要：无损检测监控箱在实际工作过程中容易受到随机振动的影响，为避免故障盒因为随机振动受到不可逆破坏，在无损检测监控箱的研发过程中，对盒体研制方案进行了随机振动分析，通过试验提取了环境随机振动频谱，建立了新型无损检测监控箱的有限元模型，仿真分析结果表明，新型无损检测监控箱满足设计输入条件，并对无损检测监控箱的优化设计给出了一定的减重方案。

关键词：无损检测；随机振动；有限元分析；优化设计

中图分类号：V243 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0056-02

Abstract： Nondestructive testing （NDT） monitor box is easy to be affected by random vibration in the actual working process. In order to avoid the failure box from irreversible damage because of random vibration， in the research and development process of NDT monitor box， The random vibration analysis of the development scheme of the box body is carried out， the spectrum of the random vibration of the environment is extracted through the experiment， and the finite element model of the new type of nondestructive testing and monitoring box is established， and the simulation analysis results show that： The new type of NDT monitor box meets the design input condition， and the optimal design of NDT monitor box is given.

Keywords： nondestructive testing （NDT）； random vibration； finite element analysis； optimal design

1 概述

无损检测监控箱投入运行之前，试验设计人员对结构强度风险部位进行评估预测，在使用过程中，无损检测监控箱随时可能面临环境中的随机振动影响，无损检测监控箱的重要功能在于大型结构的多通道集成检测，检测点分布在检测环境的整个空间中，这就需要进行集成设计，对所有检测结果进行集中监测和显示，以对待检产品或设备进行全面监控，实现无损检测的安全运维，为解决以上问题，需要设计一种无损检测监控箱，对广布检测空间的离散检测点进行集中监测，并有效提醒工程师各监测点的运行情况。以往在无损检测监控箱设备的研发过程中忽略了设备的可扩展性，新的试验需求提出了对无损检测监控箱通道扩展的新要求，为此，需要研发一种新型16通道故障监测仪器，以满足无损检测要求，为避免设计过程中的物理迭代，本文采用计算机仿真辅助样机设计的手段，并对无损检测监控箱的外观进行了减重优化。

2 新型故障箱设计

2.1 需求分析

新的无损检测对象需要故障箱单机通道不低于16通道，整个试验现场至少需要四个故障箱，并且试验设计人员在通道配置过程中要求满足冗余设计，即每个故障检测箱最少冗余两个备用通道，以防止试验过程中出现通道损坏或者增加监测通道，设计要求监测通道指示灯接口通用，开口尺寸，以及备用件尺寸已知，需满足安装口设计误差比安装件尺寸大1mm，以方便安装，设计过程中需考虑设备散热问题。

2.2 细节设计

新型无损检测监控箱外观如图1所示。箱体前面板设计了16通道故障指示灯安装开口，设计了电源供电系统的电压测量表头开口，设计了电源指示灯开口，设计了电源开关安装口。在箱体的上面板、侧面板分别设计了栅格散热区。

在箱体后面板设计了电源供电开口，以及监测通道集成线束接口，箱体材料以铝合金板为主。考虑到箱体不同承载需求，箱体各面板为变厚度设计。

3 有限元分析

3.1 模型建立

建模主要采用壳元建立有限元模型，赋属性时严格按照各部件厚度和实际位置，故障箱安装底座采用BAR元模拟。如图2所示。控制器有限元模型共13262个单元，13783个结点。

为方便单位换算，计算过程采用通用单位：质量吨（t），长度毫米（mm），力牛顿（N），导出单位：应力及弹性模量兆帕（1MPa=1N/mm2=106N/m2），质量密度（t/mm3）。

3.2 载荷及约束条件

随机振动分析是一种基于概率统计学的谱分析技术，是将时间历程的统计样本转变为功率谱密度函数（Power Spectral Density，PSD）。随机振动分析中PSD记录了激励和响应的均方根值同频率的关系，因此PSD是一条功率谱密度值-频率值的关系曲线，亦即载荷时间历程。

模型中在四个底座处施加边界条件，计算某一方向响应时，约束其他方向自由度，该方向不施加约束。

4 仿真结果分析

4.1 应力云图

如图3所示，随机振动试验应力云图可以看出，箱体整体而言，应力水平不高，最大应力约为20.7MPa，局部应力较大，由于在箱体支撑脚附近的梁元模拟存在应力集中，所以在分析时不考虑该局部区域的应力分布，所以从整体应力分布可以看出设备具备一定的减重空间。

4.2 优化设计

将设备保守区域的箱体侧板进行变厚度设计，针对结构随机振动应力分布情况，将顶板厚度和侧板厚度进行了相应的减重处理，减重后对箱体有限元模型重新进行随机振动分析，得到的结果满足结构振动設计要求，达到了优化减重设计的目的。

5 结束语

在新型无损检测监控箱的设计阶段通过随机振动响应分析，减少了设计迭代，给出的优化方案有效减轻了设备的重量，节约了设备设计和制造成本。仿真分析结果与改进之前无损检测监控箱的试验结果基本一致， 证明了该方法的有效性。

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