大型機(jī)柜振動(dòng)工裝仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證*

夏雪寶，明志茂，趙可淪，余云加，張 波

(廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

振動(dòng)試驗(yàn)最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于船舶、車輛、鐵路、動(dòng)力機(jī)械、建筑、地震模擬等領(lǐng)域[1]。振動(dòng)試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品適應(yīng)性、耐久性和可靠性的必要試驗(yàn)[2]。振動(dòng)試驗(yàn)需將樣機(jī)通過工裝夾具模擬實(shí)際情況進(jìn)行安裝，設(shè)計(jì)的振動(dòng)工裝夾具需具備足夠的剛度及強(qiáng)度，能將振動(dòng)臺(tái)施加的振動(dòng)完整傳遞給樣機(jī)，在振動(dòng)頻率范圍內(nèi)工裝夾具不能共振，避免引起試件的過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)[3-4]。工裝夾具的設(shè)計(jì)優(yōu)劣將直接影響著振動(dòng)試驗(yàn)的精度[5]，而對(duì)大型樣機(jī)，其夾具存在著尺寸超大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高等設(shè)計(jì)難點(diǎn)。筆者通過有限元仿真分析方法對(duì)某大型機(jī)柜振動(dòng)工裝進(jìn)行模態(tài)分析，并對(duì)工裝夾具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)進(jìn)而提高其固有頻率，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果加工生產(chǎn)出工裝夾具，最后通過掃頻試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 大型機(jī)柜振動(dòng)試驗(yàn)工裝要求

某海軍艦船用大型機(jī)柜長(zhǎng)3 800 mm，寬1 800 mm，高2 000 mm，重約5 t，需要進(jìn)行1～60 Hz掃頻試驗(yàn)(其中1～16 Hz振動(dòng)位移幅值1 mm，16～60 Hz振動(dòng)加速度幅值1g)。該機(jī)柜尺寸大、重量重，采用35 t電磁振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)大型機(jī)柜結(jié)構(gòu)特性，對(duì)其頂部減震器以及底部減震器需設(shè)計(jì)固定工裝模擬實(shí)際使用時(shí)的安裝情況，由于該樣品結(jié)構(gòu)尺寸大，重量重，因此工裝的設(shè)計(jì)是保證試驗(yàn)順利實(shí)施的關(guān)鍵。為避免設(shè)計(jì)的工裝夾具由于設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致掃頻出現(xiàn)共振，生產(chǎn)加工前需對(duì)該大型共振進(jìn)行模態(tài)仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以保證其1階固有頻率大于掃頻頻率上限(大于60 Hz)，同時(shí)具備足夠的安全余量，文中取模態(tài)仿真計(jì)算安全余量為20 Hz。

依照振動(dòng)模態(tài)理論，對(duì)于多自由度阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)的固有頻率取決于質(zhì)量矩陣、剛度矩陣，且一般固有頻率與系統(tǒng)的剛度矩陣成正比，與系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣成反比。對(duì)于大型工裝夾具結(jié)構(gòu)，可通過選取合適材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到降低其質(zhì)量提高其剛度的目的，從而提升該工裝的固有頻率。鋁合金、鋼材、鎂鋁合金等金屬可用于常用的工裝生產(chǎn)制造[6]，此次工裝選用Q235方管和鋼板，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行減重及提高剛度。

大型機(jī)柜通過工裝底部固定在振動(dòng)臺(tái)面上，在機(jī)柜與工裝組裝后，振動(dòng)工裝及機(jī)柜的重心要在振動(dòng)臺(tái)面中心的軸線上，以使振動(dòng)臺(tái)受到的偏心盡可能小，避免振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生傾覆力矩。

2 大型工裝有限元建模及模型簡(jiǎn)化

為保證仿真計(jì)算結(jié)果結(jié)果的準(zhǔn)確性及有限元的計(jì)算效率，根據(jù)大機(jī)柜的安裝尺寸接口和35 t臺(tái)臺(tái)面孔位圖紙，需對(duì)工裝進(jìn)行建模及簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的大型機(jī)柜工裝導(dǎo)入ANSYS中如圖1所示(該工裝模型長(zhǎng)寬高：4 300 mm×1 934 mm×2 203 mm)。

如圖2所示，將簡(jiǎn)化后工裝三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到相應(yīng)的有限元模型。該振動(dòng)工裝模型的單元數(shù)190 169個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量629 095個(gè)，網(wǎng)格尺寸為60 mm。

圖1 簡(jiǎn)化后的工裝三維實(shí)體模型 圖2 網(wǎng)格劃分后的有限元模型

3 模態(tài)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)樣品重量及尺寸，擬采用35 t振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。由于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為2 500 mm×2 500 mm，長(zhǎng)度方向小于工裝底面尺寸，因此設(shè)計(jì)擴(kuò)展支撐滑臺(tái)進(jìn)行水平振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的輔助支撐(如圖8所示，與工裝底面接觸部分采用氣囊支撐，可自由滑動(dòng))。大型機(jī)柜工裝底部通過螺栓固定在振動(dòng)臺(tái)面上，伸出臺(tái)面部分直接落在擴(kuò)展滑臺(tái)上。因此在對(duì)該機(jī)柜振動(dòng)工裝進(jìn)行模態(tài)仿真時(shí)，僅需對(duì)約束工裝與振動(dòng)臺(tái)面部分施加三個(gè)方向固定約束。采用ANSYS進(jìn)行約束模態(tài)仿真計(jì)算，計(jì)算得到該工裝前4階約束模態(tài)如表1所列，振型如圖3～4所示(前2階)。

表1 振動(dòng)工裝固有模態(tài)頻率 /Hz

圖3 第1階模態(tài)振型 圖4 第2階模態(tài)振型

由分析的結(jié)果可以知：工裝的1階固有頻率為70.747 Hz，僅有10 Hz的安全余量，安全余量低，振動(dòng)試驗(yàn)過程中可能會(huì)引起共振；前2階模態(tài)振型表現(xiàn)為工裝頂部的彎曲變形，說明該工裝頂部結(jié)構(gòu)剛度較低，需對(duì)工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，提高其固有頻率。通過對(duì)工裝頂部加支撐鋼板和斜支撐的方式來提高工裝剛度，優(yōu)化后的工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強(qiáng)后的機(jī)柜工裝進(jìn)行模態(tài)分析，固定約束邊界條件不變，計(jì)算得到前4階約束模態(tài)如表2所列，振型如圖6、7所示(前2階)。

表2 振動(dòng)工裝固有模態(tài)頻率(優(yōu)化后) /Hz

圖6 第1階模態(tài)振型(優(yōu)化后) 圖7 第2階模態(tài)振型(優(yōu)化后)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的工裝，通過仿真分析計(jì)算可知：優(yōu)化后前2階模態(tài)振型仍為橫向彎曲、縱向彎曲，但相對(duì)變形小，優(yōu)化后1階固有頻率提升了10～80.686 Hz，具備20 Hz的安全余量，仿真表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的工裝滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求。

4 振動(dòng)工裝掃頻試驗(yàn)驗(yàn)證

由上節(jié)仿真計(jì)算結(jié)果可知，該工裝前2階模態(tài)均表現(xiàn)為水平方向的彎曲模態(tài)，因此對(duì)該工裝實(shí)物進(jìn)行水平2個(gè)方向的正弦掃頻試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)上節(jié)仿真優(yōu)化的結(jié)果加工生產(chǎn)的該振動(dòng)工裝(凈重約4.5t)，并將工裝分別按水平橫向和縱向安裝至35 t振動(dòng)臺(tái)上分別如圖8、9所示。模擬實(shí)際振動(dòng)量級(jí)進(jìn)行水平橫向和縱向的掃頻試驗(yàn)，掃頻參數(shù)設(shè)置為1～16 Hz振動(dòng)位移幅值1 mm、16～60 Hz振動(dòng)加速度幅值1 g，掃頻速率1 Oct/min。掃頻振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)控制點(diǎn)傳感器安裝在35 t振動(dòng)臺(tái)面與工裝底部連接處中間位置，振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)則安裝在機(jī)柜工裝頂部主橫梁中間位置(即1、2階模態(tài)相對(duì)變形大的位置)，其橫向和縱向掃頻試驗(yàn)曲線分別如圖10、11所示。

圖8 35 t振動(dòng)臺(tái)工裝橫向安裝實(shí)物圖 圖9 35 t振動(dòng)臺(tái)工裝縱向安裝實(shí)物圖

圖10 振動(dòng)工裝掃頻頻譜(橫向)

在掃頻曲線中可看出：優(yōu)化后的工裝，水平2個(gè)方向掃頻試驗(yàn)中控制曲線和監(jiān)測(cè)曲線幾乎重合，在1～60 Hz頻率范圍內(nèi)無共振頻率，表明該工裝剛性強(qiáng)，實(shí)際前2階模態(tài)固有頻率大于60 Hz，驗(yàn)證了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性，保障了大型機(jī)柜振動(dòng)試驗(yàn)的要求。

圖11 振動(dòng)工裝掃頻頻譜(縱向)

5 結(jié) 語

采用有限元模態(tài)仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)某大型機(jī)柜振動(dòng)工裝進(jìn)行仿真計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強(qiáng)，有效提高了其第1階固有頻率，保證了20 Hz的安全余量。對(duì)生產(chǎn)加工制造大型機(jī)柜工裝通過施加實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)正弦振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，掃頻試驗(yàn)結(jié)果表明振動(dòng)頻率范圍內(nèi)大型機(jī)柜工裝不存在固有頻率，可有效滿足該大型機(jī)柜工裝振動(dòng)試驗(yàn)的要求。