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[摘 要]本文介绍了瞬态动力学分析的基本理论，采用Pro/E对杜瓦支撑系统结构进行了三维建模，并利用ANSYS对杜瓦整体结构做了瞬态分析，得到了杜瓦支撑系统结构在X、Y、Z三个方向均受到16g加速度冲击时的变形图及变形量大小。
[关键词]杜瓦；支撑结构；瞬态分析；ANSYS
[Abstract]This paper introduced the basic theory of transient dynamics analysis. We adopted Pro/E to build the 3D modeling of Duwar Bolster System Structure， and used ANSYS to do the Transient Analysis of Duwar Structure. The result shows that we get the deformation pattern and deformation value of Duwar Bolster System Structure， when it has 16g impact acceleration in each axis.
[Key words]Duwar；Bolster system；Transient analysis； ANSYS
中图分类号：TE848 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0038-02
1 引言
杜瓦是一种有真空夹层的双层容器，在空间制冷领域主要用来存储液氮、液氦、液氢等低温液体，为其他红外电子设备提供一个有效的低温环境。由于飞行器在发射和在轨飞行的过程中会产生一个很大的加速度，杜瓦也因此会受到此加速度的强烈冲击，为了不使杜瓦遭到破坏，保证低温环境安全、稳定的使用，就必须对杜瓦支撑系统结构进行瞬态动力学分析。
2 瞬态分析基本理论
瞬态动力学分析，也叫时间历程分析，用于确定承受任意随时间变化的载荷的结构的动力学响应。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力和力。瞬态动力学的基本运动方程是：
其中，为质量矩阵，为阻尼矩阵，为刚度矩阵，为节点位移向量，为载荷可为时间的任意函数。
瞬态动力学分析有完全法（Full）、缩减法（Reduced）和模态叠加法（Mode Superposition）等三种分析方法。由于完全法允许在实体模型上施加载荷，不必关心主自由度或振型的选择，采用完整矩阵而不涉及质量矩阵近似，并且通过一次分析就能得到所有的位移和应力等特点，所以本文采用完全法进行有限元分析仿真。
瞬态动力学分析的求解步骤可分为8步，依次为创建模型、设置初始条件、设置分析类型和求解控制、施加载荷、存储当前载荷步的载荷设置、开始瞬态分析、观察结果。
3 杜瓦支撑系统结构的建立
Pro/ENGINEER（简称Pro/E），是由美国PTC公司推出的一套三维CAD/CAM参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到产品加工成品的全过程。由于ANSYS软件在建模方面相对薄弱，特别是对于结构复杂的模型需要借助其他设计软件完成，然后再导入ANSYS软件中进行分析。本文支撑系统结构模型在Pro/E中建立完成，然后把文件另存為格式，之后导入ANSYS中进行瞬态动力学分析。
4 结构瞬态动力学分析
由于外壳对支撑系统结构没有直接影响，并且受到冲击载荷后变形量相对其他部位要小的多，所以在划分网格和加载运算时可以忽略外壳的影响，这样在不影响分析精度的前提下，既可以省出很多运算空间，又能大大减少单元数量，提高运算速度，所以略去外壳，直接对钢圈、支撑杆和内胆进行网格划分和加载载荷。
网格划分均采用Tel/Free的方式，网格划分顺序依次为钢圈、支撑杆、内胆，网格大小分别为0.005、0.003、0.01，划分单元数分别为44518、132898、253707，共431138个单元格。
根据实验要求，支撑结构必须承受X、Y、Z三个方向均16g的加速冲击，加载速度不超过，加速度冲击保持时间为2min，所以加速度冲击载荷加载，分为冲击加速和冲击保持两个过程完成：
1）冲击加速阶段，加载步为32步，载荷步结束时间为32s，每步分为5个子步进行加载，加载方式采用斜坡信号加载；
2） 冲击保持阶段，加载步为1步，载荷步结束时间为120s，分为10个子步进行加载，加载方式采用脉冲信号加载。
图3-图8为冲击加载和变形情况，表1为杜瓦支撑结构在X、Y、Z三个方向上的冲击变形量。
5 结语
通过瞬态动力学分析，为杜瓦支撑系统结构研究提供了重要的冲击变形印象和相关参数，为改进支撑系统结构设计提供了资料参考，也为冲击试验能够高效的进行提供了理论依据和参照。
参考文献
[1] 王力平，陆燕.新型辐射制冷器用纤维支撑系统的设计和分析[J].低温工程，2007，02：15-20.
[2] 赵福祥，魏蔚，刘康，汪荣顺.纤维复合材料在低温容器内支撑结构中的应用[J].低温工程，2005，03：23-26+34.
[3] 赵稼祥，姚海文，丁光安.芳纶14、芳纶1414和Kevlar49的结构鉴定和性能分析研究[J]. 宇航材料工艺，1987，02：28-33.
作者简介
张玉琨，男，1960年出生，西仪集团有限责任公司，高级工程师。主要研究方向为自动化仪表及压力测量传感器。
杜腾，男，1987年出生，西安理工大学，助理工程师，主要研究方向为矿用车结构件设计及有限元分析。
[关键词]杜瓦；支撑结构；瞬态分析；ANSYS
[Abstract]This paper introduced the basic theory of transient dynamics analysis. We adopted Pro/E to build the 3D modeling of Duwar Bolster System Structure， and used ANSYS to do the Transient Analysis of Duwar Structure. The result shows that we get the deformation pattern and deformation value of Duwar Bolster System Structure， when it has 16g impact acceleration in each axis.
[Key words]Duwar；Bolster system；Transient analysis； ANSYS
中图分类号：TE848 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0038-02
1 引言
杜瓦是一种有真空夹层的双层容器，在空间制冷领域主要用来存储液氮、液氦、液氢等低温液体，为其他红外电子设备提供一个有效的低温环境。由于飞行器在发射和在轨飞行的过程中会产生一个很大的加速度，杜瓦也因此会受到此加速度的强烈冲击，为了不使杜瓦遭到破坏，保证低温环境安全、稳定的使用，就必须对杜瓦支撑系统结构进行瞬态动力学分析。
2 瞬态分析基本理论
瞬态动力学分析，也叫时间历程分析，用于确定承受任意随时间变化的载荷的结构的动力学响应。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力和力。瞬态动力学的基本运动方程是：
其中，为质量矩阵，为阻尼矩阵，为刚度矩阵，为节点位移向量，为载荷可为时间的任意函数。
瞬态动力学分析有完全法（Full）、缩减法（Reduced）和模态叠加法（Mode Superposition）等三种分析方法。由于完全法允许在实体模型上施加载荷，不必关心主自由度或振型的选择，采用完整矩阵而不涉及质量矩阵近似，并且通过一次分析就能得到所有的位移和应力等特点，所以本文采用完全法进行有限元分析仿真。
瞬态动力学分析的求解步骤可分为8步，依次为创建模型、设置初始条件、设置分析类型和求解控制、施加载荷、存储当前载荷步的载荷设置、开始瞬态分析、观察结果。
3 杜瓦支撑系统结构的建立
Pro/ENGINEER（简称Pro/E），是由美国PTC公司推出的一套三维CAD/CAM参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到产品加工成品的全过程。由于ANSYS软件在建模方面相对薄弱，特别是对于结构复杂的模型需要借助其他设计软件完成，然后再导入ANSYS软件中进行分析。本文支撑系统结构模型在Pro/E中建立完成，然后把文件另存為格式，之后导入ANSYS中进行瞬态动力学分析。
4 结构瞬态动力学分析
由于外壳对支撑系统结构没有直接影响，并且受到冲击载荷后变形量相对其他部位要小的多，所以在划分网格和加载运算时可以忽略外壳的影响，这样在不影响分析精度的前提下，既可以省出很多运算空间，又能大大减少单元数量，提高运算速度，所以略去外壳，直接对钢圈、支撑杆和内胆进行网格划分和加载载荷。
网格划分均采用Tel/Free的方式，网格划分顺序依次为钢圈、支撑杆、内胆，网格大小分别为0.005、0.003、0.01，划分单元数分别为44518、132898、253707，共431138个单元格。
根据实验要求，支撑结构必须承受X、Y、Z三个方向均16g的加速冲击，加载速度不超过，加速度冲击保持时间为2min，所以加速度冲击载荷加载，分为冲击加速和冲击保持两个过程完成：
1）冲击加速阶段，加载步为32步，载荷步结束时间为32s，每步分为5个子步进行加载，加载方式采用斜坡信号加载；
2） 冲击保持阶段，加载步为1步，载荷步结束时间为120s，分为10个子步进行加载，加载方式采用脉冲信号加载。
图3-图8为冲击加载和变形情况，表1为杜瓦支撑结构在X、Y、Z三个方向上的冲击变形量。
5 结语
通过瞬态动力学分析，为杜瓦支撑系统结构研究提供了重要的冲击变形印象和相关参数，为改进支撑系统结构设计提供了资料参考，也为冲击试验能够高效的进行提供了理论依据和参照。
参考文献
[1] 王力平，陆燕.新型辐射制冷器用纤维支撑系统的设计和分析[J].低温工程，2007，02：15-20.
[2] 赵福祥，魏蔚，刘康，汪荣顺.纤维复合材料在低温容器内支撑结构中的应用[J].低温工程，2005，03：23-26+34.
[3] 赵稼祥，姚海文，丁光安.芳纶14、芳纶1414和Kevlar49的结构鉴定和性能分析研究[J]. 宇航材料工艺，1987，02：28-33.
作者简介
张玉琨，男，1960年出生，西仪集团有限责任公司，高级工程师。主要研究方向为自动化仪表及压力测量传感器。
杜腾，男，1987年出生，西安理工大学，助理工程师，主要研究方向为矿用车结构件设计及有限元分析。