基于固有頻率提升的車(chē)載多媒體振動(dòng)夾具有限元設(shè)計(jì)

徐浩

摘要：為了真實(shí)地體現(xiàn)車(chē)載多媒體系統(tǒng)的振動(dòng)性能，需要振動(dòng)夾具將振動(dòng)臺(tái)的輸入能量盡可能不失真的傳遞給測(cè)試件，這就要求振動(dòng)夾具的一階固有頻率高于測(cè)試件的測(cè)試頻率。本文運(yùn)用有限元分析法，分析出某車(chē)載多媒體振動(dòng)夾具原始方案前五階固有頻率，然后針對(duì)分析結(jié)果，做對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，直到滿(mǎn)足要求。

Abstract： To embody the actual vibration performance of the vehicle media system， the vibration fixture needs to transfer the energy of the shaker to the test samples without any loss， it needs vibration fixture has higher natural frequency then the test frequency. This thesis uses the FEA tools to analysis the first natural frequency of the fixture concept， then optimize the design based on the FEA result until meet the requirement.

關(guān)鍵詞：振動(dòng)夾具;固有頻率;有限元設(shè)計(jì)

Key words： vibration fixture;natural frequency;FEA analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0117-03

0? 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，車(chē)載多媒體系統(tǒng)[1]的功能越來(lái)越多樣，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，在整車(chē)對(duì)該系統(tǒng)振動(dòng)性能要求不變的情況下，反而加大了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)是可靠性工程的重要組成部分之一[2]，某車(chē)載多媒體系統(tǒng)上市前會(huì)進(jìn)行實(shí)物的振動(dòng)測(cè)試。而作為載體的振動(dòng)夾具是振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部件之一，直接影響環(huán)境振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的成功與否。因有限元模擬分析可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的振動(dòng)性能，用最短的時(shí)間找到產(chǎn)品最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，降低研發(fā)成本和研發(fā)時(shí)間[3]，從而廣泛的運(yùn)用在產(chǎn)品及工裝夾具設(shè)計(jì)工作中。

車(chē)載多媒體振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)思路如下：運(yùn)用UG三維軟件完成原始夾具的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，分析該方案的固有頻率，對(duì)比實(shí)驗(yàn)條件，判斷設(shè)計(jì)是否符合要求。若符合，則采用該方案，若不符合則做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)改善，直到滿(mǎn)足振動(dòng)需求為止。

1? 車(chē)載多媒體振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)目標(biāo)[4]

車(chē)載多媒體振動(dòng)夾具需滿(mǎn)足以下要求：

①夾具一階固有頻率必須大于測(cè)試頻率（5～1000Hz），即大于1000Hz，從而避免引起夾具在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生共振;②夾具能與振動(dòng)臺(tái)的安裝結(jié)構(gòu)相匹配，保證能安裝上振動(dòng)臺(tái);③在滿(mǎn)足安裝性、固有頻率的前提下，盡可能地使夾具輕量化;④夾具需能模擬車(chē)載多媒體系統(tǒng)在整車(chē)狀態(tài)下的安裝狀態(tài)，同時(shí)盡可能提升測(cè)試效率;⑤夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、方便組裝、成本低廉。

2? 車(chē)載多媒體振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的理論

2.1 振動(dòng)夾具材料的選擇

為了提高振動(dòng)夾具剛度和固有頻率，一般設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮材質(zhì)的剛度。有公式：

由固有頻率公式可得，固有頻率跟夾具的重量成反比，若想提高夾具的固有頻率，降低夾具的重量非常重要。制作夾具的材料通常有鋼、銅、鋁、鎂、鎂鋁合金等[5]，考慮到某車(chē)載多媒體系統(tǒng)約束前后運(yùn)動(dòng)的零件材質(zhì)為彈簧鋼，為避免夾具與之配合的部分（墊塊和壓塊）易被磨損，故夾具上約束測(cè)試件前后運(yùn)動(dòng)的部件材質(zhì)選用304不銹鋼，而其他部分考慮到減重，選用鋁合金。

表1列舉出振動(dòng)夾具的材料選擇及其相關(guān)物性。

2.2 振動(dòng)夾具加工工藝

夾具加工方法有焊接、螺接、鑄造、整體加工及其它方法[6]。結(jié)合成本、加工及組裝性，除不銹鋼墊塊及壓塊外，振動(dòng)夾具鋁合金部分?jǐn)M采用多部件加工，螺絲初步連接，最終焊接一體以達(dá)到簡(jiǎn)化加工、方便組裝、提升整體剛度、降低成本的目標(biāo)。

2.3 振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使夾具能順利安裝到振動(dòng)臺(tái)上，夾具底板的安裝孔必須與振動(dòng)臺(tái)上安裝孔的位置一致。同時(shí)考慮到提升測(cè)試效率，振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)成可同時(shí)測(cè)試兩臺(tái)測(cè)試件的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合安裝產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初始振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)如圖1所示。

3? 有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)振動(dòng)夾具做固有頻率分析，將用UG設(shè)計(jì)的振動(dòng)治具三維圖轉(zhuǎn)化成.stp格式，導(dǎo)入ANSYS軟件，按表1設(shè)置材料屬性，劃分網(wǎng)格如圖2。

底座上夾具之間螺絲連接狀況如圖3所示，底座和振動(dòng)臺(tái)直接的螺絲連接孔如圖3藍(lán)色孔所示。

完成以上設(shè)置，利用ANSYS中模態(tài)分析得出初始夾具的前五階的固有頻率、振型和最大形變，此文只研究固有頻率，列出一階固有頻率模態(tài)分析圖，如圖4所示。

匯總初始夾具前五階固有頻率如表2所示。

由分析可以初始夾具的一階固有頻率為827Hz，低于測(cè)試頻率的1000Hz，振動(dòng)過(guò)程中易發(fā)生共振。故需要對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化。

應(yīng)用到本治具上采取的措施有：

①增加加強(qiáng)筋來(lái)提高夾具整體的剛度（如圖5（a）1所示并對(duì)應(yīng)圖5（6）相應(yīng)位置，共6處）。

②頂部除去材料減重（如圖5（b）2所示，共2處）。

③增加中間加強(qiáng)筋的厚度及頭部減重（如圖5（b）3所示，共1處）。

沿用初始夾具的參數(shù)設(shè)置，對(duì)優(yōu)化夾具進(jìn)行模態(tài)分析，得出其前五階固有頻率、振型和最大形變，此文只研究固有頻率，故列出一階固有頻率模態(tài)分析圖，如圖6所示。

匯總優(yōu)化后夾具前五階固有頻率如表3所示。

由分析可以?xún)?yōu)化振動(dòng)夾具的一階固有頻率為1097Hz，高于測(cè)試頻率的1000Hz，振動(dòng)過(guò)程中不易發(fā)生共振，該優(yōu)化方案可行。

對(duì)比振動(dòng)夾具優(yōu)化前后的固有頻率，如表4所示。

由表4可得該車(chē)載多媒體振動(dòng)夾具優(yōu)化后其各階固有頻率都有提升，其中一階固有頻率的提升較明顯，提升率達(dá)到33%。

4? 總結(jié)

本文綜合實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，先設(shè)計(jì)了振動(dòng)夾具的初始方案，運(yùn)用有限元方法，得出其一階固有頻率為827Hz，低于要求的1000Hz。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，再次進(jìn)行有限元分析，得出優(yōu)化后方案的一階固有頻率為1097Hz，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。再對(duì)比夾具優(yōu)化前后固有頻率，優(yōu)化措施對(duì)各階固有頻率都有提升，特別是一階固有頻率，提升率達(dá)到33%。運(yùn)用有限元法，在設(shè)計(jì)端完成優(yōu)化以滿(mǎn)足要求，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間和避免因多次測(cè)試造成的資源浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)：

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