發(fā)射裝置中振動(dòng)控制點(diǎn)選擇方法分析

張 建，張漢偉，盛德兵，周志衛(wèi)

(1.鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司彈射技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450005;2.中國(guó)人民解放軍駐124廠軍事代表室，鄭州 450005)

目前的實(shí)物振動(dòng)試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，還伴隨著強(qiáng)烈的噪聲。而虛擬振動(dòng)試驗(yàn)可多次反復(fù)地再現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，使研發(fā)人員在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中不斷迅速修正設(shè)計(jì)，從而大大減少昂貴而費(fèi)時(shí)的物理樣機(jī)制造及實(shí)物試驗(yàn)過(guò)程，縮短研制周期，提高產(chǎn)品的研制質(zhì)量［1－4］。

振動(dòng)試驗(yàn)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)上的響應(yīng)來(lái)調(diào)整所施加的振動(dòng)激勵(lì)，以使產(chǎn)品整體響應(yīng)符合規(guī)定要求，保證試驗(yàn)的有效性，因此，控制點(diǎn)的選擇便顯得尤為重要。振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)控制點(diǎn)的選擇給出了一個(gè)粗略的范圍，在以往的實(shí)物試驗(yàn)中，往往只依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷來(lái)布置控制點(diǎn)。然而規(guī)定的試驗(yàn)控制點(diǎn)范圍較寬，上述通過(guò)人工判斷布置控制點(diǎn)的方法存在較大的盲目性，很難找到一個(gè)準(zhǔn)確的點(diǎn)來(lái)保障試驗(yàn)的公正性要求。這種控制點(diǎn)選擇上的盲目性可能會(huì)導(dǎo)致2種極端情況:如果控制點(diǎn)選在了響應(yīng)偏小的位置，隨著激勵(lì)的不斷增加，容易造成試件整體響應(yīng)過(guò)大，出現(xiàn)過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象，甚至損壞產(chǎn)品;反之，如果選在了響應(yīng)偏大的位置，則試件整體響應(yīng)達(dá)不到要求，出現(xiàn)欠試驗(yàn)現(xiàn)象。為此，本文提出了采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)來(lái)模擬振動(dòng)試驗(yàn)的方法，對(duì)實(shí)物振動(dòng)試驗(yàn)的控制點(diǎn)選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)［5－7］。

本文對(duì)某懸掛發(fā)射裝置進(jìn)行研究。首先利用SolidWorks對(duì)三維實(shí)體骨架模型進(jìn)行構(gòu)建，并做必要的簡(jiǎn)化，如將無(wú)關(guān)緊要的倒角、邊界等去除，盡量減少模型的曲面、短小截面，形成新的平滑模型，以便在目前的硬件技術(shù)條件下進(jìn)行計(jì)算［8－9］。然后將模型導(dǎo)入MSC.NASTRAN的前處理平臺(tái)劃分網(wǎng)格，再在產(chǎn)品上接口的2個(gè)孔內(nèi)施加激勵(lì)，同時(shí)在產(chǎn)品下接口的4個(gè)孔內(nèi)施加全約束。假設(shè)懸掛物質(zhì)量足夠大，使得全約束條件成立。然后進(jìn)行模態(tài)和頻率響應(yīng)計(jì)算。最后通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，在產(chǎn)品施加激勵(lì)和約束的位置附近尋找適合振動(dòng)試驗(yàn)的控制點(diǎn)。

1 虛擬振動(dòng)試驗(yàn)分析模型準(zhǔn)備

譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)地震及其他隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)。本文將用響應(yīng)譜分析方法進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的模擬。

1.1 分析模型構(gòu)建

在簡(jiǎn)化過(guò)程中既要忽略對(duì)最終結(jié)果的分析誤差，又必須滿足計(jì)算軟件的需求。利用SolidWorks建立某產(chǎn)品骨架的三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。

圖1 骨架三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型

將簡(jiǎn)化過(guò)的SolidWorks文件轉(zhuǎn)化為.X_T文件，并導(dǎo)入 MSC.NASTRAN，劃分網(wǎng)格，如圖 2所示。

圖2 骨架模型網(wǎng)格模型

1.2 建立頻率譜和工況

建立頻率譜，范圍為20～500 Hz，共分為400段，功率譜密度為1 g2/Hz，利用PCL語(yǔ)言設(shè)置，如圖3所示。

圖3 利用PCL語(yǔ)言設(shè)置的頻率譜

1.3 施加激勵(lì)和約束

在產(chǎn)品上接口的2孔內(nèi)施加向下的5000 N壓力譜作為模擬振動(dòng)試驗(yàn)的激勵(lì)條件，此激勵(lì)為依賴頻率譜的函數(shù)。在產(chǎn)品下接口的4個(gè)孔內(nèi)施加全約束，以模擬質(zhì)量很大的懸掛物，施加位置如圖4所示。

圖4 激勵(lì)和約束的施加位置

1.4 定義材料屬性及物理特性

材料按照鋼的屬性定義:彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比 υ =0.3，密度 δ=7800 kg/m3，阻尼ζ=2%。

1.5 分析計(jì)算的參數(shù)設(shè)置

計(jì)算參數(shù)設(shè)置:頻率范圍為20～500 Hz，共分為400段，在阻尼ζ=2%的情況下使得振幅有所收斂。設(shè)置完成后將模型提交計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)以上計(jì)算，可以得到產(chǎn)品骨架上各點(diǎn)的響應(yīng)值、應(yīng)變分布、應(yīng)力分布等，應(yīng)用這些數(shù)據(jù)能很好地分析振動(dòng)試驗(yàn)中各節(jié)點(diǎn)情況，從而更合理地選擇試驗(yàn)所需要的控制點(diǎn)分布位置。

2.1 響應(yīng)譜分布

經(jīng)計(jì)算可得，頻率為20～500 Hz時(shí)，最大響應(yīng)值均出現(xiàn)在下接口最右邊孔的右側(cè)偏上，距離孔心大約20 mm的位置，其值在此頻率區(qū)間線性增加，在500 Hz時(shí)達(dá)到2770 MPa。最小響應(yīng)值出現(xiàn)在位于骨架最左端節(jié)點(diǎn)7607位置，其值在500 Hz時(shí)為2.45 MPa，可忽略，如圖5所示。

節(jié)點(diǎn)7607和節(jié)點(diǎn)7762的響應(yīng)值隨頻率變化分布如圖6所示，頻率區(qū)間為20～500 Hz。

為了更直觀地分析響應(yīng)值的分布規(guī)律，隨機(jī)選擇另外5個(gè)點(diǎn)作為參照，如圖7所示。

圖5 500 Hz頻率下各點(diǎn)響應(yīng)云紋圖

圖6 最大響應(yīng)值和最小響應(yīng)值隨頻率變化分布

圖7 隨機(jī)選擇的節(jié)點(diǎn)位置

得到這些節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值隨頻率變化的分布，如圖8所示，可以看出所選取的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值大小均介于節(jié)點(diǎn)7762和節(jié)點(diǎn)7607的響應(yīng)值之間。

圖8 隨機(jī)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值隨頻率變化分布

為了更直觀分析計(jì)算結(jié)果，選取參考頻率為340 Hz，得到各節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值，如表1所示。

通過(guò)以上分析，可以得到任意節(jié)點(diǎn)在不同頻率下的響應(yīng)值，據(jù)此能判斷出產(chǎn)品上激勵(lì)和約束施加位置附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值，從而尋找到合適的控制點(diǎn)，以滿足試驗(yàn)要求。

2.2 利用響應(yīng)分布選擇控制點(diǎn)

為了合理地選擇控制點(diǎn)的位置，在施加激勵(lì)和約束的各接口孔附近選取幾個(gè)參考點(diǎn)，比較其響應(yīng)值分布。

2.2.1 位于左邊上接口附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值計(jì)算

在左邊上接口施加激勵(lì)的孔附近選取節(jié)點(diǎn)，如圖9(a)所示。

得到這些節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值隨頻率變化分布，如圖10所示。最大響應(yīng)值出現(xiàn)位于上接口左孔的右側(cè)偏下，距離孔中心大約55 mm的節(jié)點(diǎn)1290，最小響應(yīng)值出現(xiàn)在位于上接口左孔的左側(cè)偏下，距離孔中心大約40 mm的節(jié)點(diǎn)7182處，如圖9(b)所示。

選取參考頻率為340 Hz，得到各節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值，如表2所示。

圖9 左激勵(lì)附近選取節(jié)點(diǎn)的位置

圖10 左激勵(lì)附近節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值隨頻率變化分布

表1 340 Hz頻率下隨機(jī)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值 Pa

表2 340 Hz頻率下左激勵(lì)附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值 Pa

2.2.2 位于右邊上接口附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值計(jì)算

在右邊上接口施加激勵(lì)的孔附近選取節(jié)點(diǎn)，如圖11(a)所示。

得到這些節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值隨頻率變化分布，如圖12所示。最大響應(yīng)值出現(xiàn)在上接口右孔的左側(cè)偏下，距離孔中心大約45 mm的節(jié)點(diǎn)5102，最小響應(yīng)值出現(xiàn)在上接口右孔的右側(cè)，距離孔中心大約70 mm的節(jié)點(diǎn)7207，如圖11(b)所示。

選取參考頻率為340 Hz，得到各節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值，如表3所示。

2.2.3 位于左邊下接口附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值計(jì)算

在左邊下接口施加約束的孔附近選取節(jié)點(diǎn)，如圖13(a)所示。

得到這些節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值隨頻率變化分布，如圖20所示。最大響應(yīng)值出現(xiàn)在位于下接口左邊2孔的左側(cè)孔下方，距離孔中心大約50 mm的節(jié)點(diǎn)5551，最小響應(yīng)值出現(xiàn)在下接口左邊2孔的右側(cè)孔右下方，距離孔中心大約70 mm的節(jié)點(diǎn)950，如圖13(b)所示。

圖11 右激勵(lì)附近選取節(jié)點(diǎn)的位置

圖12 右激勵(lì)附近節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值隨頻率變化分布

圖13 左約束附近選取節(jié)點(diǎn)的位置

圖14 左約束附近節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值隨頻率變化分布

選取參考頻率為340 Hz，得到各節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值，如表4所示。

2.2.4 位于右邊下接口附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值計(jì)算

在右邊下接口施加約束的孔附近選取節(jié)點(diǎn)，如圖15(a)所示。

得到這些節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)隨頻率變化分布，如圖16所示。最大響應(yīng)值出現(xiàn)在下接口右邊2孔的右側(cè)孔右上方，距離孔中心大約15 mm的節(jié)點(diǎn)7762，最小響應(yīng)值出現(xiàn)在下接口右邊2孔的左側(cè)孔左下方，距離孔中心大約40 mm的節(jié)點(diǎn)7004，如圖15(b)所示。

圖15 右約束附近選取節(jié)點(diǎn)的位置

選取參考頻率為340 Hz，得到各節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值，如表5所示。

表3 340Hz頻率下右激勵(lì)附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值 Pa

表4 340 Hz頻率下左約束附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值 Pa

表5 340 HZ頻率下右約束附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值 Pa

圖16 右約束附近節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值隨頻率變化分布

2.2.5 控制點(diǎn)的選取

通過(guò)以上計(jì)算分析，在產(chǎn)品模型施加激勵(lì)和約束的位置附近的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值都能很清晰地反映出來(lái)，為選擇振動(dòng)試驗(yàn)的控制點(diǎn)提供了理論依據(jù)。

振動(dòng)試驗(yàn)本身是一個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程，即通過(guò)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的響應(yīng)來(lái)調(diào)整所施加的振動(dòng)激勵(lì)，以使產(chǎn)品整體響應(yīng)符合規(guī)定要求。因此，控制點(diǎn)的選擇便顯得尤為重要。分析中，既不希望出現(xiàn)過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象，也不希望出現(xiàn)欠試驗(yàn)現(xiàn)象，因而可以利用這種控制機(jī)理，根據(jù)試驗(yàn)的目的靈活地選擇適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)位置。當(dāng)試驗(yàn)要求產(chǎn)品所有點(diǎn)的響應(yīng)不超過(guò)某一特定值時(shí)，選擇計(jì)算中出現(xiàn)最大響應(yīng)值的節(jié)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，便能使得整個(gè)產(chǎn)品的各點(diǎn)都不會(huì)超過(guò)特定響應(yīng)值;反之，如果要求產(chǎn)品所有響應(yīng)不底于某一特定值時(shí)，則選擇計(jì)算中出現(xiàn)最小響應(yīng)值的節(jié)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，保證整個(gè)產(chǎn)品的各點(diǎn)響應(yīng)值都大于這個(gè)特定的響應(yīng)值;也可測(cè)試產(chǎn)品的一個(gè)平均水平的響應(yīng)值分布，這時(shí)，只需要把計(jì)算出的各節(jié)點(diǎn)響應(yīng)值做一個(gè)平均值計(jì)算，參照這個(gè)平均值尋找?guī)讉€(gè)具有同樣響應(yīng)值的節(jié)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，便能滿足試驗(yàn)要求。

上述方法雖然其結(jié)果基本接近目前振動(dòng)試驗(yàn)中控制點(diǎn)的選擇位置，但距離真正意義上的虛擬振動(dòng)試驗(yàn)尚有一定差距。然而，研究證明，這種使用頻率響應(yīng)分析方法進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案是合理可行的?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著工作的不斷深入，虛擬試驗(yàn)必將成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的重要手段，將在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中發(fā)揮巨大作用。

3 結(jié)論

通過(guò)MSC.NASTRAN響應(yīng)譜分析模擬振動(dòng)試驗(yàn)，可以得到產(chǎn)品模型上任意點(diǎn)在不同頻率下的響應(yīng)值，從而為實(shí)物試驗(yàn)的控制點(diǎn)位置的選擇提供參考。通過(guò)本次基于虛擬試驗(yàn)技術(shù)的振動(dòng)控制點(diǎn)選擇方法的研究，得到以下結(jié)論:

1)虛擬試驗(yàn)?zāi)転檎駝?dòng)試驗(yàn)中控制點(diǎn)位置的選擇提供有效依據(jù)。

2)綜合考慮產(chǎn)品相關(guān)各點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)值的結(jié)果，能為不同的試驗(yàn)?zāi)康奶峁╈`活的控制點(diǎn)選擇策略。

3)計(jì)算產(chǎn)品模型在振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)值分布，可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

4)通過(guò)分析響應(yīng)譜來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬振動(dòng)試驗(yàn)的研究是有效可行的。

5)虛擬試驗(yàn)和仿真技術(shù)必將成為今后產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、研制和試驗(yàn)過(guò)程中的核心技術(shù)。

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