王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

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魚雷艙段振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)特性仿真分析

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

夾具作為魚雷艙段振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中不可或缺的連接部件, 其動(dòng)態(tài)特性直接影響振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。文中針對(duì)3種魚雷艙段振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)方案, 開展振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)特性的理論分析和有限元仿真, 通過數(shù)值計(jì)算其振動(dòng)固有頻率、振型和振動(dòng)響應(yīng)等, 對(duì)比分析不同振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣，最終確定滿足魚雷艙段振動(dòng)試驗(yàn)傳遞性要求的夾具。并得出以下結(jié)論: 1) 夾具的剛度、固有頻率及阻尼對(duì)其振動(dòng)傳遞特性的影響最為突出; 2) 整體鑄造成型的夾具比焊接成型和螺栓連接結(jié)構(gòu)傳遞特性更好; 3) 基于動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的夾具能更好地保證振動(dòng)能量不失真的傳遞。

魚雷艙段; 振動(dòng)試驗(yàn); 夾具; 動(dòng)態(tài)特性

0 引言

振動(dòng)試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)魚雷力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力的最主要手段之一, 不僅能夠檢驗(yàn)魚雷結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過程中能否滿足要求, 同時(shí)暴露魚雷的設(shè)計(jì)缺陷, 為魚雷結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。振動(dòng)夾具的功能是將振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和能量傳遞給試驗(yàn)件, 其動(dòng)態(tài)特性直接影響著振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果。振動(dòng)試驗(yàn)中希望夾具傳遞到試驗(yàn)件的振動(dòng)能量不失真, 夾具的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)(固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、阻尼比)是系統(tǒng)振動(dòng)特性的重要表征, 是改善結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)[1]。如果夾具設(shè)計(jì)不合適, 就可能出現(xiàn)“欠試驗(yàn)”或“過試驗(yàn)”。因此, 開展振動(dòng)試驗(yàn)夾具動(dòng)態(tài)特性分析研究具有重要意義。

傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和鄧柯萊法, 這2種方法設(shè)計(jì)出的夾具很難確保將振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不失真地傳遞給試件[2]。目前魚雷振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)大多基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法, 主要考慮的是夾具與振動(dòng)臺(tái)的接口設(shè)計(jì), 當(dāng)夾具制造出來后通過試驗(yàn)驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的合理性, 這種方法設(shè)計(jì)的夾具往往造成大量的浪費(fèi), 而基于動(dòng)態(tài)特性分析的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)還未得到有效應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展, 基于有限元分析的夾具設(shè)計(jì)將是一個(gè)快速、高效的設(shè)計(jì)方法[3]。當(dāng)前大多有關(guān)夾具的設(shè)計(jì)仿真分析主要是分析夾具的固有頻率, 夾具傳遞特性則采用試驗(yàn)的方法來分析[4-7], 而基于有限元的夾具傳遞特性仿真分析研究較少。文中依據(jù)魚雷艙段振動(dòng)試驗(yàn)要求, 基于模態(tài)分析理論和振動(dòng)傳遞理論, 通過有限元建模與仿真對(duì)比分析3種魚雷艙段振動(dòng)試驗(yàn)夾具動(dòng)態(tài)特性, 確定滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求的夾具結(jié)構(gòu)。

1 夾具模態(tài)分析及振動(dòng)傳遞特性

1.1 模態(tài)分析

夾具的振動(dòng)特性可以用模態(tài)來描述, 研究其振動(dòng)特性時(shí)首先進(jìn)行模態(tài)分析, 即通過計(jì)算或試驗(yàn)的方法, 確定用來描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)[1,8-9]。

采用有限元分析法, 將振動(dòng)夾具這樣一個(gè)彈性連續(xù)體的振動(dòng)問題, 離散為一個(gè)以有限的節(jié)點(diǎn)位移為廣義坐標(biāo)的多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問題。由此, 振動(dòng)夾具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程可以表示為[10]

式(1)的解可以假設(shè)為如下形式

將坐標(biāo)變換式(7)代入式(1), 并考慮特征矢量的正交性, 得到一組解耦方程

代入初始條件, 求解可得夾具振動(dòng)規(guī)律為

1.2 傳遞特性

其傳遞率(動(dòng)力放大系數(shù))為

2 夾具振動(dòng)特性分析

2.1 振動(dòng)夾具一般要求

振動(dòng)夾具的1階固有頻率應(yīng)高于試驗(yàn)最高頻率, 對(duì)于大型夾具, 其1階固有頻率應(yīng)高于參試產(chǎn)品1階固有頻率的3~5倍[12-14], 才能有效地防止夾具與試件的共振耦合。此外, 夾具和試驗(yàn)件的合成重心盡可能和振動(dòng)臺(tái)激振器軸線一致, 并且重心要盡量靠近激振器[15]。

夾具的傳遞特性和試驗(yàn)件的質(zhì)量大小相關(guān), 對(duì)于質(zhì)量在25~250 kg的機(jī)電設(shè)備, 其夾具的傳遞特性應(yīng)滿足表1要求[16]。

表1 夾具動(dòng)力學(xué)特性要求

2.2 振動(dòng)夾具模態(tài)分析

文中針對(duì)裝夾接口適合魚雷艙段(1階固有頻率300 Hz左右, 試驗(yàn)頻率10~2000 Hz)的振動(dòng)試驗(yàn)要求的3種夾具方案, 開展夾具模態(tài)分析, 對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)夾具的模態(tài)頻率。文中3種夾具的設(shè)計(jì)異同點(diǎn)(材料、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量)對(duì)比如表2所示。

表2 Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#夾具異同點(diǎn)

方案1: Ⅰ#夾具, 由壓環(huán)、支座、底板3部分組成, 如圖2所示。支座由焊接成型, 壓環(huán)與支座、支座與底板之間通過螺栓連接, 模態(tài)分析結(jié)果顯示此夾具的1階固有頻率為666.1 Hz, 對(duì)應(yīng)振型圖如圖3;向1階固有頻率為1 035.2 Hz, 對(duì)應(yīng)振型圖如圖4。

由振型圖3可以看出, Ⅰ#夾具在第1階固有頻率時(shí)已發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形, 這是夾具剛度差的表現(xiàn), 且夾具1階固有頻率不滿足高于試件固有頻率的3~5倍要求, 無法滿足艙段振動(dòng)試驗(yàn)需要。

方案2: Ⅱ#夾具為在Ⅰ#夾具基礎(chǔ)上增加支座剛度, 降低其重心, 兩支座與底板采用焊接成型, 結(jié)構(gòu)如圖5所示。

方案3: Ⅲ#夾具為在Ⅱ#夾具基礎(chǔ)上, 在支座兩端增加肋板以提高其局部剛度, 采用整體鑄造成型, 結(jié)構(gòu)如圖6所示。

Ⅱ#、Ⅲ#夾具有限元分析網(wǎng)格劃分以六面體單元為主, 局部采用五面體單元, 網(wǎng)格尺寸7 mm, 為了模擬夾具實(shí)際使用環(huán)境, 底板施加全約束, 在Abaqus軟件中對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析, 夾具Ⅱ#、Ⅲ#的1階振型圖如圖7、圖8所示。表3為夾具Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#的1階固有頻率。

圖3 Ⅰ#夾具1階振型圖

圖4 Ⅰ#夾具Y向1階振型圖

圖5 Ⅱ#夾具結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 Ⅲ#夾具結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 Ⅱ#夾具1階振型圖

表3 Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#夾具1階固有頻率

2.3 振動(dòng)夾具隨機(jī)振動(dòng)仿真

為了進(jìn)一步確定3種夾具的優(yōu)劣, 在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上, 文中開展夾具隨機(jī)振動(dòng)仿真分析。

夾具隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)施加的外部激勵(lì)條件如圖9所示, 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方向如圖10中向所示。

隨機(jī)振動(dòng)仿真分析載荷輸入為加速度功率譜密度(power spectral density, PSD)曲線, 采用BASE MOTION基礎(chǔ)約束加載, 計(jì)算頻率范圍為1~2 000 Hz, 模態(tài)阻尼取0.02。為了對(duì)比不同結(jié)構(gòu)夾具對(duì)傳遞特性的影響, 分別在3種夾具上選取與試件接觸部位及遠(yuǎn)離試件部位作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖11所示), 分析夾具向振動(dòng)傳遞特性。

通過隨機(jī)振動(dòng)仿真得到3種夾具上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)曲線如圖12~圖15所示, 響應(yīng)點(diǎn)總均方根值及傳遞率見表4。

圖12 Ⅰ#夾具A、C點(diǎn)響應(yīng)PSD曲線

圖13 Ⅰ#夾具B點(diǎn)響應(yīng)PSD曲線

圖14 Ⅱ#夾具3點(diǎn)響應(yīng)PSD曲線

表4 夾具響應(yīng)總均方根值和傳遞率

3 仿真結(jié)果與分析

分析圖12~圖15, 表3及表4可得如下結(jié)論。

1) Ⅰ#夾具在其向1階固有頻率(1 035.2 Hz)附近出現(xiàn)峰值, A、C 2點(diǎn)響應(yīng)趨勢(shì)一致, 傳遞存在局部放大; B點(diǎn)處發(fā)生共振, 傳遞放大嚴(yán)重, 容易發(fā)生過試驗(yàn), 由于夾具各點(diǎn)間響應(yīng)差別較大, 此夾具設(shè)計(jì)不滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求。

2) Ⅱ#夾具的1階固有頻率與Ⅰ#夾具相比提高到1 745.4 Hz, 滿足夾具1階固有頻率高于試驗(yàn)件1階固有頻率的3~5倍要求, 但在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi), 共振仍無法避免。Ⅱ#夾具中A、C 2點(diǎn)響應(yīng)曲線基本一致, 與輸入激勵(lì)差別較小, 放大系數(shù)接近1, 傳遞特性較好; B點(diǎn)傳遞從500 Hz開始逐步放大, 放大系數(shù)為3.54, 這是由于夾具局部剛度較差導(dǎo)致, 且夾具各點(diǎn)間響應(yīng)不一致, 因此, Ⅱ#夾具也不滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求。

3) 增加夾具的局部剛度后, Ⅲ#夾具的1階固有頻率提高到2 457.5 Hz, 滿足夾具1階固有頻率高于試驗(yàn)件1階固有頻率的3~5倍要求, 且高于試驗(yàn)最高頻率2 000 Hz。Ⅲ#夾具中A、B、C 3點(diǎn)響應(yīng)在試驗(yàn)頻率(10~2 000 Hz)內(nèi)與輸入激勵(lì)基本一致, 放大系數(shù)接近1, 傳遞特性好, 與Ⅱ#相比, Ⅲ#夾具B點(diǎn)處傳遞得到很好的改善, 無局部放大情況, 且其傳遞特性滿足表1要求, 因此, Ⅲ#夾具可用于艙段隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

由分析結(jié)果可得, 降低夾具重心位置、增加剛度能夠提高夾具的固有頻率; 對(duì)于魚雷艙段試驗(yàn)夾具, 采用相同結(jié)構(gòu)夾具時(shí), 夾具剛度越大, 固有頻率越高, 傳遞特性越好。

4 結(jié)束語

文中從魚雷艙段振動(dòng)試驗(yàn)要求出發(fā), 通過理論分析和有限元仿真, 基于3種振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)方案, 對(duì)比分析夾具的動(dòng)態(tài)特性, 最終確定滿足魚雷艙段振動(dòng)試驗(yàn)傳遞性要求的夾具。從文中分析得到以下結(jié)論:

1) 夾具的剛度、固有頻率及阻尼對(duì)其振動(dòng)傳遞特性的影響最為突出。

2) 整體鑄造成型的夾具比焊接成型和螺栓連接結(jié)構(gòu)傳遞特性更好。

3) 基于動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的夾具能更好地保證振動(dòng)能量不失真的傳遞。

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Simulation Analysis on Dynamic Characteristics of Fixture for Torpedo Cabin Vibration Test

WANG Hong-rui, CAO Xiao-juan, YIN Shao-ping, ZHANG Zhi-min, SHAN Zhi-xiong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The dynamic characteristics of the fixture directly affect the measurement in the vibration test of torpedo cabin.In this paper, theoretical analysis and numerical calculations of dynamic characteristics are carried out for three design schemes of fixture for torpedo cabin vibration test.The natural frequencies, vibration modes and vibration responses of the three fixture designs are calculated numerically, their dynamic performances are compared and analyzed to finally determine the right fixture, which can meet the transitivity requirement of vibration test of torpedo cabin.Conclusions are drawn as follows: 1) the stiffness, natural frequency and damping of these fixtures have the most prominent influences on their vibration transfer characteristics; 2) the monoblock cast fixture is better in the transitivity than the welded or the bolt-connected one; 3) the fixture designed on the basis of dynamic characteristics can better ensure the transmission of vibration energy without distortion.

torpedo cabin; vibration test; fixture; dynamic characteristic

TJ630.1; O329

A

2096-3920(2018)06-0549-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.007

2018-05-18;

2018-06-13.

王紅瑞(1985-), 男, 碩士, 主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程.

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 等.魚雷艙段振動(dòng)夾具動(dòng)態(tài)特性仿真分析[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(6): 549-554.

(責(zé)任編輯: 許 妍)