連接器及組件夾具隨機(jī)振動(dòng)仿真設(shè)計(jì)

摘要：夾具是連接器及組件隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的必要部件，夾具設(shè)計(jì)的好壞直接影響試驗(yàn)結(jié)果。鑒于此，在ANSYS仿真平臺(tái)上對(duì)初步設(shè)計(jì)的夾具進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)仿真，得出夾具的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，改進(jìn)后的夾具設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了其基頻大于試驗(yàn)件3倍的目標(biāo)且夾具加速度均方根基本沒有放大。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的正確性，仿真可以較好地指導(dǎo)夾具設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品試驗(yàn)的有效性。

關(guān)鍵詞：連接器;隨機(jī)振動(dòng);夾具;ANSYS

中圖分類號(hào)：TN602 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）19-0039-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.009

0 引言

連接器及組件廣泛應(yīng)用于航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域，是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間聯(lián)系的紐帶，在工作過程中常常會(huì)經(jīng)受各種振動(dòng)，這就要求其中的連接器在振動(dòng)條件下均能正常工作，特別是不能發(fā)生瞬斷，因?yàn)檫B接器的瞬斷有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效[1]。

連接器及組件在實(shí)際進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，需要通過夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上。夾具作為振動(dòng)臺(tái)與試驗(yàn)件的連接部件，其力學(xué)傳遞特性對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)至關(guān)重要。如果夾具設(shè)計(jì)不合理，可能使試驗(yàn)件受到的振動(dòng)環(huán)境失真，造成“欠試驗(yàn)”或“過試驗(yàn)”，導(dǎo)致對(duì)真實(shí)結(jié)果的誤判。因此，夾具的設(shè)計(jì)是否合理對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)至關(guān)重要[2]。

1 動(dòng)力學(xué)模型

隨機(jī)振動(dòng)是指結(jié)構(gòu)在不確定性載荷作用下的響應(yīng)。多自由度系統(tǒng)在隨機(jī)載荷作用下的動(dòng)力學(xué)方程如下：

[M]+[C]+[K]X=F（t） （1）

式中：[M]、[C]、[K]分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;、、X分別為單元節(jié)點(diǎn)的加速度、速度、位移;F（t）為激勵(lì)。

夾具的模態(tài)分析中通常不考慮阻尼影響，且激勵(lì)為0，因此動(dòng)力學(xué)方程可以轉(zhuǎn)化為特性方程：

（[K]-ωi2[M]）?i=0 （2）

式中：ωi為振動(dòng)頻率;?wbLcWYt1h8tP00X4vYfXY/pFdyO+Ab8wX2b4uwgGIpI=i為模態(tài)，即與固有頻率對(duì)應(yīng)的振型。

2 夾具設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

2.1 夾具設(shè)計(jì)要求

夾具設(shè)計(jì)需滿足以下基本原則：第一，夾具的固有頻率應(yīng)盡可能高，夾具的1階固有頻率應(yīng)大于試驗(yàn)件1階固有頻率的3倍以上;第二，夾具與試驗(yàn)件各安裝接口處響應(yīng)要一致，以確保振動(dòng)輸入的均勻性;第三，盡量使試驗(yàn)件與夾具組裝后的重心低，從而保證夾具的穩(wěn)定性和可靠性;第四，具有穩(wěn)定的機(jī)械性能;第五，加工的簡(jiǎn)易性與經(jīng)濟(jì)性。

2.2 夾具材料選擇

目前比較常用的夾具材料有鋁材、鋼材、鎂材等，通常夾具固有頻率越高，其性能越好。夾具固有頻率計(jì)算公式如下：

f= （3）

式中：f為固有頻率;k為夾具剛度;m為夾具質(zhì)量。

由式（3）可知，為提高固有頻率f，應(yīng)盡可能減輕夾具質(zhì)量m，同時(shí)增大夾具剛度k。

綜合考慮材料特性和應(yīng)用環(huán)境，將鋁合金6061 T6選為夾具制作材料，螺釘?shù)染o固件材料為316L不銹鋼。材料主要物理參數(shù)如表1所示。

2.3 夾具初步設(shè)計(jì)及仿真分析

由于連接器及組件一般需要進(jìn)行三個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)考慮夾具加工簡(jiǎn)易性與經(jīng)濟(jì)性要求，初步設(shè)計(jì)夾具如圖1所示。夾具呈L型結(jié)構(gòu)，底部通過緊固螺釘與振動(dòng)臺(tái)鎖緊，保證夾具與振動(dòng)臺(tái)之間進(jìn)行有效穩(wěn)定的連接，豎直方向在安裝高度開四顆螺釘孔，用于連接試驗(yàn)件。

2.3.1 模態(tài)分析

在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析前，需要進(jìn)行模態(tài)分析。通過仿真，夾具前3階固有頻率分別為482.08、834.49、998.94 Hz。第1階振型為豎直向水平共振，位置偏高，是由于重心偏高;第2階振型為底部垂直向共振;第3階振型為豎直向水平扭轉(zhuǎn)共振，如圖2所示。

2.3.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)如圖3所示，加速度均方根值為9.9g。設(shè)置整體阻尼比為5%，取敏感方向垂直方向進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真。

通過仿真，得出垂直方向加速度均方根響應(yīng)及3σ應(yīng)力分布如圖4所示，從圖中可以看出，四顆螺釘孔處加速度均方根值最大約為154 m/s2，較輸入值99 m/s2約有1.5倍放大;最大應(yīng)力值約為9.5 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，材料強(qiáng)度沒有問題。

綜合夾具的模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)仿真，得出初步設(shè)計(jì)的夾具固有頻率明顯偏低，螺釘孔位置加速度均方根值有1.5倍放大，存在“過試驗(yàn)”，需對(duì)該夾具進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 夾具改進(jìn)設(shè)計(jì)及仿真分析

由于初步設(shè)計(jì)的夾具存在“過試驗(yàn)”，因此對(duì)原夾具進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)分析，原夾具不合格主要是其重心偏高造成的。為降低夾具的重心，將夾具改為倒T型結(jié)構(gòu)，并把底部挖空位置填上，增強(qiáng)夾具與振動(dòng)臺(tái)之間的穩(wěn)定性。螺釘孔另一側(cè)及夾具外側(cè)加上加強(qiáng)筋，不僅能降低夾具的重心，還能大幅提高夾具的剛度。改進(jìn)后夾具如圖5所示。

2.4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析邊界條件設(shè)置與前面保持一致。通過仿真，夾具前3階固有頻率分別為2 480.8、3 072.6、5 017.5 Hz，基頻由原來的482.08 Hz提高到2 480.8 Hz，改進(jìn)效果比較明顯。第1階振型為豎直向水平共振，第2階振型為底部垂直向共振，第3階振型為豎直向水平扭轉(zhuǎn)共振，如圖6所示。

2.4.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

改進(jìn)夾具隨機(jī)振動(dòng)分析，量級(jí)、設(shè)置與前面保持一致。通過仿真，得出垂直方向加速度均方根響應(yīng)及3σ應(yīng)力分布如圖7所示，從圖中可以看出，四顆螺釘處加速度均方根值最大約為104 m/s2，較輸入值99 m/s2基本沒有放大;最大應(yīng)力值約為1.7 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，材料強(qiáng)度沒有問題。

由于要求夾具的1階固有頻率應(yīng)大于試驗(yàn)件1階固有頻率的3倍以上，現(xiàn)單獨(dú)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行模態(tài)固有頻率分析，邊界條件為固定試驗(yàn)件對(duì)應(yīng)的四顆螺釘，得到試驗(yàn)件前10階固有頻率如圖8所示，可以看出試驗(yàn)件1階頻率為735.87 Hz。

綜合改進(jìn)后夾具的模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)仿真，得出改進(jìn)后夾具的1階頻率2 480.8 Hz大于試驗(yàn)件1階頻率735.87 Hz的3倍以上，且四顆螺釘處加速度均方根值最大約為104 m/s2，較輸入值99 m/s2基本沒有放大，不存在“欠試驗(yàn)”或“過試驗(yàn)”，改進(jìn)后夾具滿足設(shè)計(jì)要求。

3 連接器及組件仿真與試驗(yàn)

連接器及組件安裝在夾具上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真，主要分析J599連接器的加速度均方根值大小，判斷連接器是否發(fā)生瞬斷，邊界條件設(shè)置、隨機(jī)振動(dòng)載荷與前面分析保持一致。通過仿真，得到連接器及組件加速度均方根值分布如圖9所示，四顆螺釘處加速度均方根值約為105 m/s2，與前面改進(jìn)夾具分析基本一致，說明此夾具能夠保持較好的穩(wěn)定性與可靠性。J599連接器上加速度均方根值最大約為147 m/s2，小于連接器的許用值290 m/s2，連接器不會(huì)發(fā)生瞬斷。

對(duì)改進(jìn)夾具進(jìn)行加工，安裝上試驗(yàn)件后在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，如圖10所示。在振動(dòng)臺(tái)與夾具連接處、夾具與試驗(yàn)件連接處、J599連接器上同時(shí)安置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到各個(gè)位置處的加速度均方根值如表2所示。

從表2可以看出，振動(dòng)臺(tái)與夾具連接處、夾具與試驗(yàn)件連接處仿真與試驗(yàn)值基本一致。J599連接器上仿真值較試驗(yàn)值偏小，原因是仿真模型的簡(jiǎn)化及連接器尾部線纜產(chǎn)生的誤差。仿真誤差在5%以內(nèi)，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

4&Tlsuj/CVDHHHkIqAv+Meiy7FBNRW7FzkVhXqR2yY4GA=nbsp; 結(jié)論

本文先對(duì)初步設(shè)計(jì)的連接器及組件夾具在ANSYS仿真平臺(tái)上進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)仿真，得出初步設(shè)計(jì)的夾具基頻較低且四個(gè)螺釘孔安裝位置加速度均方根值有1.5倍放大，不滿足設(shè)計(jì)需求。通過更改結(jié)構(gòu)、降低重心、增加加強(qiáng)筋等措施對(duì)夾具進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的夾具再次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示，改進(jìn)后的夾具設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了其基頻大于試驗(yàn)件3倍的目標(biāo)，且四個(gè)螺釘孔安裝位置加速度均方根值基本沒有放大。最后對(duì)連接器及組件進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真的正確性。

應(yīng)用ANSYS對(duì)連接器及組件的夾具進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)仿真，可以有效分析夾具設(shè)計(jì)的合理性，并能在設(shè)計(jì)不合理時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，減少夾具加工與試驗(yàn)時(shí)間，此方法對(duì)其他產(chǎn)品的夾具設(shè)計(jì)也有較高的參考價(jià)值。

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收稿日期：2024-06-05

作者簡(jiǎn)介：郭振躍（1991—），男，江西贛州人，工程師，研究方向：連接器力學(xué)仿真、設(shè)計(jì)。