某型產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

張智森，陸海桃

(1. 中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106； 2. 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 211106)

?

某型產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

張智森1,2，陸海桃1,2

(1. 中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106； 2. 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 211106)

摘要：根據(jù)該型產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)條件及有關(guān)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范,在分析該型裝置結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)平臺(tái)性能的基礎(chǔ)上，基于UG三維軟件進(jìn)行夾具的實(shí)體建模，并利用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，得到夾具的固有頻率和振型。從夾具的固有頻率、振型和響應(yīng)位移等仿真數(shù)據(jù)(夾具上各點(diǎn)的＂能量＂放大云圖)分析夾具的不足，并依此對(duì)夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)試驗(yàn)；夾具設(shè)計(jì)；模態(tài)分析；有限元；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)夾具是保障環(huán)境試驗(yàn)成功的重要因素之一。理想的振動(dòng)夾具是近似剛性的，能模擬試件實(shí)際使用狀態(tài)下的連接條件，保證夾具與試件連接界面上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是完全一致的，并且把振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不失真的傳遞給試件。但對(duì)于試驗(yàn)條件比較特殊或邊界條件復(fù)雜的試件，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)夾具就無法滿足要求[1]。

介紹了某型產(chǎn)品振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)思路：基于UG三維軟件建立夾具的三維模型，經(jīng)后處理生成Parasolid文件導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行振動(dòng)特性分析。根據(jù)提取的固有頻率、振型和響應(yīng)位移等數(shù)據(jù)對(duì)原夾具進(jìn)行材料、結(jié)構(gòu)等多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足產(chǎn)品的試驗(yàn)要求[2]。

1振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)[3]

1) 夾具本身固有頻率在試驗(yàn)要求頻率(15～2000Hz)范圍外。即振動(dòng)試驗(yàn)中夾具體本身無共振現(xiàn)象。

2) 當(dāng)試驗(yàn)時(shí)夾具體本身的共振不可避免時(shí)，應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品裝夾部位的響應(yīng)位移。即追求盡可能小的放大因子。

3) 在滿足剛度、頻率、位移約束條件時(shí)，最大限度的降低夾具體本身的質(zhì)量。

4) 夾具能模擬試件在裝機(jī)狀態(tài)的安裝方式，并能方便地與振動(dòng)臺(tái)面連接。

5) 夾具工藝性好,成本低廉,設(shè)計(jì)加工的周期短。

2振動(dòng)夾具的模型設(shè)計(jì)及有限元模型的建立

2.1夾具的設(shè)計(jì)

a) 工藝方案

1)材料的選擇

振動(dòng)試驗(yàn)的高頻特性，要求設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮材料的剛度、阻尼性。

根據(jù)公式：

式中：f—響應(yīng)頻率，k—?jiǎng)偠龋琺—質(zhì)量。

分析得出，提高響應(yīng)頻率，就要盡量減少夾具質(zhì)量。通常夾具材料是鋼、鋁、鎂等。從成本考慮，夾具選用45號(hào)鋼[4]。

2) 加工工藝

夾具的加工方法有焊接、螺接、鑄造、整體加工及其他方法[5]。綜合試驗(yàn)條件及夾具要求，選定分組加工，焊接的加工方法。

b) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)條件及有關(guān)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)規(guī)范,在分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)選型的基礎(chǔ)上,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了夾具的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。夾具結(jié)構(gòu)如圖1,底板上12個(gè)均布光孔用于固定夾具體到固定座上；另一端4個(gè)均布光孔用以連接被測(cè)吊艙[6-7]。

夾具建模在UG8.5軟件中實(shí)現(xiàn)。

圖1　振動(dòng)試驗(yàn)夾具的初始模型

2.2有限元模型的建立

有限元法的基本思路是：1) 把很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分為若干個(gè)形狀簡單的單元，這些單元一般要小到可以用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述特性參數(shù)在其中的分布；2) 通過對(duì)單元的研究來建立各特性參數(shù)之間的關(guān)系方程；3) 在單元分析的基礎(chǔ)上，利用平衡條件和連續(xù)條件，將各個(gè)單元拼裝成整體結(jié)構(gòu)。對(duì)整體在確定邊界條件下進(jìn)行分析，從而得到整體的參數(shù)關(guān)系方程組，即矩陣方程；4) 解這樣的矩陣方程，即可得到各種參數(shù)在整體結(jié)構(gòu)中的分布。在確定夾具基本結(jié)構(gòu)后，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行分析[8]。

a) 實(shí)體建模

在ANSYS中，建模是將一個(gè)物理原型準(zhǔn)確的用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來表達(dá)，即用節(jié)點(diǎn)和單元表示空間體域及實(shí)際系統(tǒng)連接的生成過程。ANSYS中的各種分析都是在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，因此模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到分析的可行性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是由于系統(tǒng)資源大小的限制，ANSYS中建模應(yīng)在不影響全局及關(guān)鍵部位分析結(jié)果的條件下盡量理想化、簡單化、典型化。對(duì)模型進(jìn)行簡單化需要忽略倒角，去除螺紋孔。然后在ANSYS前處理模塊直接生成實(shí)體模型[9]。

b) 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分要能夠有效的反映原幾何形體，充分考慮其物理特性，使實(shí)際處理中采用較少的或者簡單的單元形態(tài)以提高運(yùn)算速度。

該振動(dòng)夾具采用標(biāo)準(zhǔn)形式，用solid tet 10node 187單元，采用該方案劃分出來的單元符合要求。夾具體材料特性：彈性模量，EX=2×1011N/m2；泊松比PRXY=0.3；密度DENS=7.8×103kg/m3；劃分有限元網(wǎng)格的夾具如圖2所示。

圖2　初始模型的網(wǎng)格劃分

c) 邊界條件的設(shè)定

振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)夾具通過12個(gè)螺釘固定在振動(dòng)臺(tái)上，因此對(duì)夾具的12個(gè)光孔施加固定約束，如圖2所示。

3仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖3　初始模型的一階振型

圖4　初始模型的二階振型

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件中的模態(tài)分析對(duì)模型分析，得到前四階固有頻率、振型、響應(yīng)位移[10]。初始模型的一階固有頻率為1186.7Hz，振型如圖3所示；二階固有頻率為1189Hz，振型如圖4所示；三階固有頻率為2850Hz，振型如圖5所示；四階固有頻率為3058Hz，振型如圖6所示。由仿真結(jié)果可以看到前兩階固有頻率在20-2000Hz范圍內(nèi)。說明夾具本身在振動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生共振，傳遞振動(dòng)給產(chǎn)品時(shí)會(huì)失真，甚至還會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成破壞，因此需要對(duì)夾具進(jìn)行改進(jìn)。

圖5　初始模型的三階振型

圖6　初始模型的四階振型

材料的固定頻率跟材料的密度與剛度有關(guān)。根據(jù)實(shí)際情況，先從夾具的剛度上進(jìn)行改進(jìn)。在UG中對(duì)原模型中影響剛度的部位進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。導(dǎo)入ANSYS分析后得到一階固有頻率為1547Hz，振型如圖7。結(jié)果可知，改進(jìn)后夾具固有頻率有所提高，但仍在試驗(yàn)頻率內(nèi)，共振仍不可避免。

圖7　改進(jìn)后的一階振型

圖8　最終模型的一階振型

在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不能完全消除問題的情況下，再次回到UG軟件中，對(duì)模型空心圓柱連接部分進(jìn)行尺寸協(xié)調(diào)的方法加強(qiáng)剛性。再次導(dǎo)入ANSYS中分析最終得到優(yōu)化后的振型。如圖8，一階固有頻率為2068Hz。即改進(jìn)后，夾具本身固有頻率完全在產(chǎn)品試驗(yàn)頻率外，表明夾具滿足試驗(yàn)要求。

4結(jié)語

通過上述方法對(duì)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際試驗(yàn)中效果良好，而且避免了夾具制造出來后不符合要求的情況，減少了浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率。利用UG和ANSYS有限元分析軟件的結(jié)合，以仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)，極大的改進(jìn)了設(shè)計(jì)方式。成為快速解決實(shí)際問題，提高設(shè)計(jì)品質(zhì)的有效手段。

參考文獻(xiàn):

[1] 張阿舟，等. 實(shí)用振動(dòng)工程[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1986.

[2] 魏武國. 基于UG和ANSYS的高壓渦輪盤振動(dòng)特性分析[J]. 機(jī)械工程師，2010，(6).

[3] l B. J. 日一振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)[M]. 北京：“強(qiáng)度與環(huán)境”編輯組出版，1979.

[4] 倪振華. 振動(dòng)力學(xué)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，1986.

[5] 齊克敏，丁樺. 材料成形工藝學(xué)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[6] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)1[M]. 2版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[7] 劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[8] 愈秋惠. 陳劍. 振動(dòng)試驗(yàn)夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)及模態(tài)試驗(yàn)[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2010，30(6).

[9] 劉加凱，齊杏林, 等. 基于ANSYS仿真的引信振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)，裝備環(huán)境工程2010,7(2).

[10] 陳立偉,衛(wèi)國. 某振動(dòng)臺(tái)大型轉(zhuǎn)接夾具設(shè)計(jì)與振動(dòng)特性計(jì)算分析[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境，2009，36.

Optimal Design of Pod Vibration Test Fixture

ZHANG Zhi-sen1,2, LU Hai-tao1,2

(1. Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems, AVIC Jincheng，Nanjing 211106，China; 2. Aviation

Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration, Nanjing 211106，China)

Abstract:According to the vibration test condition of this pod and the design specification of relevant vibration environment test fixture, the inherent frequency and vibration mode of the fixture are got through the physical modeling of the fixture via UG 3D software as well as analyzing its model using ANSYS finite element software.The deficiency of the fixture is analyzed from simulation data (magnifying cloud image of the "energy" at each point on the fixture)such as inherent frequency, vibration mode and response displacement, and then the design of the fixture structure is optimized based on the above aspects.

Keywords:vibration test; fixture design; modal analysis; finite element method; optimal design

收稿日期：2014-11-20

中圖分類號(hào)：TH136; TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0077-03

作者簡介：張智森(1982-)，男，湖北荊州人，工程師，本科，研究方向是機(jī)械工藝裝備設(shè)計(jì)。