某型滅火器振動夾具仿真與模態(tài)分析

盛德兵，尹東輝，趙可淪，黃英齡

（1.廣電計(jì)量檢測（武漢）有限公司，武漢 430070； 2.廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司，廣州 510627）

引言

好的振動夾具能將機(jī)械能不失真地傳遞給試件，不會引起試件的欠試驗(yàn)或過試驗(yàn)。振動夾具在設(shè)計(jì)上要求重量輕、剛度質(zhì)量比大,在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)盡量避免發(fā)生共振。振動夾具設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)鍵在于夾具的一階固有頻率要盡量高,且均勻性和傳遞特性要好[1-4]。對于夾具的一階共振頻率的分析方法包括理論計(jì)算、有限元仿真和模態(tài)試驗(yàn)等方法。本文采用有限元建模對某型產(chǎn)品的振動夾具進(jìn)行分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過掃頻模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證其合理性。

1 振動夾具設(shè)計(jì)

1.1 振動夾具設(shè)計(jì)要求

某型樣品需進(jìn)行振動、沖擊試驗(yàn)，其中樣品由滅火器鋼瓶及管路附件組成。對樣品的振動試驗(yàn)進(jìn)行10～60 Hz掃頻試驗(yàn)及耐振試驗(yàn)，為保證振動試驗(yàn)時(shí)振動條件的準(zhǔn)確施加，防止由于滅火器瓶組支架共振導(dǎo)致滅火器站的振動過大而導(dǎo)致?lián)p壞，需對滅火器瓶組支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證滅火器瓶組支架尺寸、重量滿足需求的同時(shí)，其固有頻率應(yīng)避開振動試驗(yàn)頻率范圍（10～60 Hz頻率范圍內(nèi)無固有頻率），因此對優(yōu)化設(shè)計(jì)后的滅火器瓶組支架進(jìn)行模態(tài)仿真分析，分析其固有頻率及振型，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

1.2 振動夾具材料選擇

為了提升夾具的固有頻率和增加夾具剛度，一般設(shè)計(jì)時(shí)參考公式：

式中：

f—頻率（Hz）；

k—?jiǎng)偠龋∟/m）；

m—質(zhì)量（kg）。

由上述公式，可以看出，夾具的固有頻率與質(zhì)量成反比，要想提高夾具的固有頻率，需要降低夾具的重量。制造夾具的常用材料有：鋼、鋁、鎂、鎂鋁合金等[5]?？紤]到夾具的方便及強(qiáng)度，本次夾具選用中空方鋼管，以便于焊接，減重。

1.3 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在樣品和夾具組裝后，振動夾具加樣品的重心一般要在振動臺面中心的軸線上，以使振動臺受到的偏心盡可能小，夾具的底面安裝孔與振動臺臺面安裝孔一致。用內(nèi)部有橡膠墊的卡箍固定氣瓶，夾具底部用帶有橡膠的“杯托”支撐氣瓶，氣瓶的頸部用帶橡膠墊的卡箍固定以防止氣瓶上下移動。

2 有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 模型簡化

為減少計(jì)算量并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行模型簡化處理，簡化的原則如下：

1）不考慮構(gòu)件安裝的初始應(yīng)力，不考慮加工誤差；

2）對樣品的小孔、倒角、圓角進(jìn)行簡化處理；

3）刪除滅火器抱箍、橡膠墊等活動部件；

簡化后的振動夾具，導(dǎo)入Hypermesh中如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

將簡化后模型在Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元模型如圖2所示。振動夾具支架單元數(shù)1256394個(gè)，網(wǎng)格類型為四面體，單元類型為solid185。

3 模態(tài)分析

3.1 邊界條件

在振動試驗(yàn)過程中，樣品及其工裝底部固定在振動試驗(yàn)臺面上，因此在進(jìn)行模態(tài)仿真時(shí)，需對夾具底面施加固定約束，如圖3所示。

3.2 夾具模態(tài)分析結(jié)果

采用ANSYS對某型滅火器振動夾具進(jìn)行模態(tài)分析，仿真計(jì)算其前10階模態(tài)，計(jì)算得到的固有頻率如表1所示，前2階振型如圖4、圖5所示。

圖1 簡化后的某型滅火器振動夾具模型

圖2 某型滅火器振動夾具有限元模型

圖3 底板施加固定約束邊界條件

由分析的結(jié)果可以知，夾具的一階固有頻率為56.686 Hz，低于測試最高頻率（10～60 Hz頻率范圍內(nèi)無固有頻率），振動試驗(yàn)過程中容易引起共振，故需對夾具的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化后的夾具，采用ANSYS對某型滅火器振動夾具進(jìn)行模態(tài)分析，仿真計(jì)算其前10階模態(tài)，計(jì)算得到的固有頻率如表2所示，前2階振型如圖8、圖9所示。

優(yōu)化后的夾具，通過仿真分析計(jì)算，其固有頻率都在試驗(yàn)的上限頻率（10～60 Hz頻率范圍內(nèi)無固有頻率）以上，滿足試驗(yàn)要求。

表1 某型滅火器振動夾具固有頻率列表

圖4 某型滅火器振動夾具第1階模態(tài)振型（優(yōu)化前）

圖5 某型滅火器振動夾具第2階模態(tài)振型（優(yōu)化前）

圖6 優(yōu)化前的設(shè)計(jì)

圖7 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)（白色部分為橫筋加強(qiáng)）

4 振動夾具模態(tài)分析

為了與驗(yàn)證仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比，采用正弦掃頻試驗(yàn)對振動夾具進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，正弦掃頻參數(shù)設(shè)置：對數(shù)掃頻，速率為1 oct/min，控制點(diǎn)放在振動臺面與夾具底面連接處的夾具中間的固定點(diǎn)上，測量點(diǎn)放在夾具最上面一個(gè)橫梁上，其掃頻頻譜如圖10所示?？稍谇€中查找出前2階共振頻率如表3所示。從表3可看出夾具的一階共振頻率為81.3 Hz，大于試驗(yàn)要求頻率上限的60 Hz，測試結(jié)果表明該夾具滿足振動試驗(yàn)的要求。

表2 某型滅火器振動夾具固有頻率列表

圖8 某型滅火器振動夾具第1階模態(tài)振型（優(yōu)化后）

圖9 某型滅火器振動夾具第2階模態(tài)振型（優(yōu)化后）

5 仿真與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果對比

將仿真計(jì)算和掃頻試驗(yàn)得出的夾具前2階共振頻率值進(jìn)行比對，以掃頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算仿真分析得到結(jié)果的誤差如表4所示。由表4可看出由仿真計(jì)算得出的前二階頻率與試驗(yàn)測得的頻率最大絕對誤差為6.9 %、最小為3.6 %，在仿真誤差允許的范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語

本文通過有限元建模對某型產(chǎn)品的振動夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高夾具的固有頻率，為了驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，采用正弦掃頻對振動夾具進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)試驗(yàn)，經(jīng)對比，仿真計(jì)算與掃頻試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果基本一致，優(yōu)化后的振動夾具能夠滿足某型滅火器振動試驗(yàn)的要求。

表3 某型滅火器振動夾具固有頻率列表

圖10 某型滅火器振動夾具掃頻曲線

表4 共振頻率對比