某作动类产品振动夹具设计与仿真分析_李涛.pdf

设计计算 新技术新工艺 设计与计算 某作动类产品振动夹具设计与仿真分析李涛（航空工业庆安集团有限公司，陕西 西安 ）摘要：振动夹具的作用是将振动台的能量不失真地传递给产品，目前的振动夹具设计只考虑复合重心原则，对夹具的刚度没有进行估算，导致夹具实物制造出来刚度不足，传递性差。为了验证夹具结构设计的合理性，运用 有限元法对振动夹具进行模态分析及随机振动分析，得到了夹具的固有频率、振型及各安装点的传递特性，依据分析结果对夹具进行综合评判，通过振动试验获得试验模态参数并与有限元模态进行对比，结果显示，仿真分析与试验结果基本一致，夹具结构设计可靠，满足振动试验要求。关键词：振动试验；夹具；固有频率；模态；仿真分析中图分类号：文献标志码：（，）：，：，振动试验是校核产品在预期的运输和使用环境中的抗震能力，是产品环境试验的重要组成部分。而振动夹具的作用是从振动台不失真地把能量传递给试件，在振动的整个试验频率范围内，尽量使夹具的固有频率避开试验频率，避免与试件发生共振，导致试验结果受到影响。目前的振动夹具设计只考虑复合重心重合原则，对夹具本身的刚性和传递特性没有进行预先的估算，导致部分夹具制造完成后刚性差，无法满足试验要求或对振动试验造成影响。本文对某作动类产品振动夹具采用 进行模态分析及随机振动分析，对夹具的固有频率和传递特性进行计算，依据分析结果对夹具进行综合评判。夹具实物制造完成后，在振动台上进行扫频试验，得到了夹具的动力学特性，验证了夹具结构设计的合理性，为后续振动试验夹具仿真设计提供了有效方法。振动夹具设计要求）夹具设计应便于试件安装，尽可能接近产品受力情况，且能方便与振动台台面连接。）夹具的一阶固有频率要高于试验的最高频率，避免与试件发生共振，实际很难做到，要求夹具的一阶固有频率要高于试件一阶频率的倍。）夹具的比刚度大，意味着夹具沿激振方向尺寸尽可能大，比刚度受个因素影响：一是夹具的结构形式，二是夹具的制造材料。）夹具与试件的复合重心要在振动台的中心轴线上，重心应尽量低。）在满足刚强度的条件下，最大限度降低夹具质量，保证振动台所能达到的最大推力要求。）夹具设计应对传递特性，允许的正交运动及试件连接各固定点之间的振动偏差进行限制。振动夹具制造工艺）整体机械加工夹具。对于试样较小时，用整块材料通过机械加工来制造夹具是又快又省的方法。通过车、铣、磨、钻等加工工艺对一整块金属材料加工成需要的夹具，这DOI:10.16635/ki.1003-5311.2023.02.001新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算种方法可以制作型面比较复杂的夹具，夹具残余应力小。）铸造成型夹具。在通常情况下，应优先考虑使用铸造夹具，铸造具有能适用各种复杂表面、一次成形的特点，尤其是对一些有弧形过渡面、支撑筋、复杂截面和有肋条的内腔等夹具，须用铸造成型才能实现，铸造成型的夹具阻尼系数高，对抑制夹具谐振时的峰值加速度有好处，传递性好。）焊接夹具。焊接夹具具有制造周期短、成本低廉、更改结构方便等优点，应用非常普遍，但其材料阻尼系数小，夹具自身的谐振加速度峰值很高，所以焊接完成后还需进行时效热处理。）螺接夹具。螺接夹具是一种比较简单、快捷、经济的制作夹具的方法，但螺接夹具难以获得比较好的振动特性，大多是在没有别的方法可选时才用螺接，在螺接夹具中主要考虑个因素：螺接夹具的构件必须是机械工件，保证构件之间的接触面能紧密地结合在一起，获得较高的配合精度；螺栓的预紧力比计算的最大分离力至少要大。如果没有足够的预紧力，部件会脱开而相互撞击。这种撞击常常超过规定的试验载荷和频率范围，造成试样不必要的损坏。振动夹具材料选择振动夹具的固有频率 受个因素影响：一是夹具的刚度，二是夹具材料的密度。与刚度直接相关的是材料的弹性模量，与质量有关的是材料密度，所以的值影响夹具固有频率，其比值越大，夹具对振动试验影响越小，而传递力的性能越好。目前常用材料物理特性见表。表夹具材料物理特性夹具材料弹性模量 密度 刚度质量比（）铝（）（）钢 （）（）镁 从表可以看出，在满足刚度的情况下，用镁合金作为夹具制造材料能明显提高夹具的固有频率，镁合金比刚度高，但这种合金制造费用高且传递特性差，镁在机械加工时，经常会有着火的危险性，而由于重量是夹具设计考虑的关键参数之一，铝的密度只有钢的 左右，也易于加工。综上所述，制造振动夹具的材料一般选择铝合金。夹具重量与材料有直接关系，夹具重量主要由如下公式得出：（）（）式中，是振动台额定推力；是动圈质量；是试件质量；是夹具质量；是加速度（正弦振动为峰值加速度，随机振动为均方根值）。根据振动台的额定参数和实际试验中运动的加速度值，确定出夹具的重量范围。应该注意的是，在有效重量范围内，夹具重量应该尽可能地轻，因为附加重量会降低共振频率，还会对振动台增加负重，所以夹具重量对共振频率的影响比材料刚度对共振频率的影响要大。振动夹具设计流程振动夹具设计流程如图所示，夹具设计员根据产品图样、试验大纲、安装姿态、接口尺寸等要求，利用 进行三维模型设计，然后转化成 格式文件导入 软件。根据实际工况进行静强度分析、模态分析、振动分析，依据分析结果对夹具结构进行综合评判，通过反复迭代，直到满足振动试验夹具设计要求。图夹具设计流程）静强度分析。静强度分析主要验算工装在受外力作用下各结构件的应力、变形情况，目的是验算工装夹具结构的设计计算 新技术新工艺 设计与计算 强度。）模态分析。模态分析可以计算出夹具的固有频率和振型，目的是验算夹具结构的刚度，避免产品在振动过程中与夹具发生共振。）振动分析。随机振动分析主要验证夹具各连接点的动态响应，理论上要求振动台的能量不失真地通过夹具传递到试件上，实际上受结构、环境等影响是很难做到的，实际量值或者放大，或者减小。振动夹具设计与仿真分析针对某作动类产品振动试验夹具设计要求，使用 设计振动夹具结构模型如图所示，夹具由底板、立板、左支座、右支座、定位轴、安装螺栓等组成，将模型导入 软件对夹具进行模态分析和随机振动分析，验算夹具的刚性和传递特性，依据分析结果对夹具进行相关的测定与评判。图夹具模型 模态分析模态分析可以计算出夹具的固有频率和振型，目的是验算夹具结构的刚度，避免产品在振动过程中与夹具发生共振。材料属性夹 具 结 构 中，左 右 耳 片 安 装 座 材 料 为 ，材料的弹性模量均为 ，泊松比为 ，密度为 ，底板、支承座材料为 钢，材料的弹性模量均为 ，泊松比为 ，密度为 。网格划分网格的疏密程度直接影响到计算精度，但是网格加密会增加计算机的计算时间并且需要很大的存储空间，具体情况根据实际需要进行设置。本例中应用尺寸控制方法通过设置 的参数进行网格划分，默认为四面体网格（见图），设置大小为，夹具模型单元数为 个，节点数为 。图有限元模型 边界条件实际工况下，夹具体通过底板螺栓孔固定在振动台上，故给夹具底板螺栓孔添加固定约束，各元件之间接触设置为 类型。求解通过模态分析得到夹具前六阶固有频率分别为 、和 ，振型如图所示。分析结果：一、三阶模态振型为右支座摆动变形，二、四阶模态振型为左支座摆动变形，五、六阶模态振型为夹具左右支座扭转变形。产品一阶固有频率为 ，不满足振动夹具一阶频率大于产品倍要求，需要改进设计。新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算图夹具前六阶模态和振型 夹具改进对比分析结果，找出影响夹具固有频率的原因，给夹具左右支座下增加振动台安装孔，同时增高左右支座加强肋，两边倒角增大，来提高夹具整体刚度，改进后的模型如图所示，对优化后的振动夹具做模态分析（见图）。图改进后的夹具模型图改进后的固有频率 随机振动分析随机振动分析主要验证夹具各连接点的动态响应，理论上要求振动台的能量不失真地通过夹具传递到试件上，实际上受结构、环境等影响是很难做到的，实际量值或者放大，或者减小。边界条件对夹具施加载荷谱（见表），模态阻尼系数取 ，目的是验证夹具连接点在各个激励方向上的动态响应。表载荷谱测试项目功率谱密度频率 谱密度 加速度均方根值方向随机振动 、求解选取夹具上左右耳片连接点（夹具与产品的连结部位）作为动态响应点，得到各点的加速度响应谱如图所示，以及加速度响应谱均方根值与最大值（见表）。设计计算 新技术新工艺 设计与计算）方向）方向）方向图个耳片连接部位各个方向加速度响应谱表加速度响应谱均方根值及最大值表位置方向均方根值最大值方向均方根值最大值方向均方根值最大值左耳片 右耳片 夹具综合评判使用振动试验夹具设计要求对上述分析结果进行评价（见表）。新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算表夹具综合评判要求测定评判结果材料比刚度大、阻尼大铝合金满足要求质量质量小，但强度要满足要求 满足要求频率响应响应曲线平坦见图满足要求一阶固有频率大于试件第一响应峰值频率的倍 满足要求重量夹具质量最好是试验产品质量的倍 满足要求传递特性夹具在试验频率范围内不存在大于或最大不超过 的共振峰（见表）不满足要求正交运动在 以内，向、向的振动量值均小于向；在 以上，振动量值均小于 向；离开共振峰 以外的振动量值均小于 向（见图）满足要求试件固定点之间的振动偏差 以下允许振动偏差，允许振动偏差 见图左右耳片振动基本一致由表可知，针对某作动类产品设计的振动试验夹具，除了传递特性受夹具本身结构限制不满足要求之外，其余均满足振动夹具设计要求，可用于振动试验。夹具传递特性测试与分析 试验模态分析方法试验模态分析主要有正弦扫频试验法、随机振动试验测响应法、锤击模态分析法等种。在振动试验夹具的试验模态分析中常采用正弦扫频试验法，正弦扫频试验法是用振动台对待测夹具施加一定频率范围内的正弦扫频激励，通过观察响应谱来确定共振频率，当正弦扫频造成振动台停机时，可采用宽带随机法激励夹具。传感器的安装位置控制传感器可安装在试件与夹具的分离面上，也可选在夹具与振动台的分离面上。选在试件与夹具分离面上比较合理，排除了夹具对振动传递造成的影响，但控制比较困难；选在夹具和振动台面之间好控制，但夹具的影响会直接传到试件上。传感器的安装位置究竟选在哪里，应视试件、夹具、试验条件而定。因此，在试验中应尽可能选择多点平均控制，消除振动台随机振动梯度存在的影响。试验参数设置采用美国公司的电动振动台，取夹具与振动台面的固定点为控制点，取夹具与产品连接点作为监测点，用正弦扫频法进行夹具测试，扫频方式设置为对数扫频，速率为 ，扫描范围为 。其扫描频谱如图所示，在频率 前振动曲线平稳，之后出现多个谐振，可以看出夹具前四阶固有频率分别为 、和 。图夹具扫频曲线试验结果与理论分析偏差）受分析误差影响。振动夹具仿真分析时，由于计算机配置有限，进行网格划分的精密程度不能达到理想状态，导致无法求出最接近实际情况的响应频率，而且由于有限元分析软件对实际试件的模设计计算 新技术新工艺 设计与计算 拟程度有限，总是会产生偏差的。）受机械加工误差影响。振动夹具机械精加工过程中的误差，如被加工平面的表面粗糙度和平行度，螺钉孔的定位精度、垂直度等，都会对实际试件的频响结果产生影响。所以应该根据夹具实际扫频结果对有限元模型进行修正，重新计算模态，然后再进行振动分析，这样结果才会相对准确。结语本文阐述了振动试验夹具的设计要求、材料选择、制造工艺及振动夹具评判标准。针对某作动类振动夹具进行结构建模、模态分析和随机振动分析，依据分析结果对夹具的动态特性进行评估，避免夹具实物制造出来反复修改的制造风险，提高了振动夹具设计的可靠性和准确性，能够指导后续振动试验夹具设计和仿真分析。参考文献刘新胜，徐璐，王萍，等振动试验夹具设计优化及模态分析新技术新工艺，（）：张志旭，朱学旺振动夹具一阶共振频率的试验数据识别航天器环境工程，（）：马征，李东强，顾阳，等 某异型结构振动夹具的设计及试验验证装备环境工程，（）：夏江宁 振动试验夹具设计的疲劳分析 装备环境工程，（）：尚村，李晌某产品振动夹具的设计及结构优化装备制造技术，（）：孙晓洁，陈俊，王安柱，等大型振动台夹具的模态分析及结构改进 苏州大学学报：工科版，（）：吴刚基于实测的振动夹具动态特性分析电子产品可靠性与环境试验，（）：黄小天，李明，孙炜海，等基于有限元法的试验台电动机支座模态分析与结构改进新技术新工艺，（）：吴瑞轩振动夹具的测试方法研究装备环境工程，（）：熊伟华，郭春雷，徐俊杰振动台对夹具固有频率测试的影响分析环境技术，（）：作者简介：李涛（），男，大学本科，高级工程师，主要从事工艺装备设计及数字化等方面的研究。收稿日期：责任编辑郑练