徐浩

摘要：為了真實(shí)地體現(xiàn)車載多媒體系統(tǒng)的振動性能，需要振動夾具將振動臺的輸入能量盡可能不失真的傳遞給測試件，這就要求振動夾具的一階固有頻率高于測試件的測試頻率。本文運(yùn)用有限元分析法，分析出某車載多媒體振動夾具原始方案前五階固有頻率，然后針對分析結(jié)果，做對應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化，直到滿足要求。

Abstract： To embody the actual vibration performance of the vehicle media system， the vibration fixture needs to transfer the energy of the shaker to the test samples without any loss， it needs vibration fixture has higher natural frequency then the test frequency. This thesis uses the FEA tools to analysis the first natural frequency of the fixture concept， then optimize the design based on the FEA result until meet the requirement.

關(guān)鍵詞：振動夾具;固有頻率;有限元設(shè)計

Key words： vibration fixture;natural frequency;FEA analysis

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0117-03

0? 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，車載多媒體系統(tǒng)[1]的功能越來越多樣，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，在整車對該系統(tǒng)振動性能要求不變的情況下，反而加大了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。環(huán)境振動試驗(yàn)是可靠性工程的重要組成部分之一[2]，某車載多媒體系統(tǒng)上市前會進(jìn)行實(shí)物的振動測試。而作為載體的振動夾具是振動實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部件之一，直接影響環(huán)境振動實(shí)驗(yàn)的成功與否。因有限元模擬分析可以預(yù)測產(chǎn)品的振動性能，用最短的時間找到產(chǎn)品最優(yōu)的設(shè)計方案，降低研發(fā)成本和研發(fā)時間[3]，從而廣泛的運(yùn)用在產(chǎn)品及工裝夾具設(shè)計工作中。

車載多媒體振動夾具的設(shè)計思路如下：運(yùn)用UG三維軟件完成原始夾具的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，分析該方案的固有頻率，對比實(shí)驗(yàn)條件，判斷設(shè)計是否符合要求。若符合，則采用該方案，若不符合則做出相應(yīng)的設(shè)計改善，直到滿足振動需求為止。

1? 車載多媒體振動夾具設(shè)計目標(biāo)[4]

車載多媒體振動夾具需滿足以下要求：

①夾具一階固有頻率必須大于測試頻率（5～1000Hz），即大于1000Hz，從而避免引起夾具在測試過程中發(fā)生共振;②夾具能與振動臺的安裝結(jié)構(gòu)相匹配，保證能安裝上振動臺;③在滿足安裝性、固有頻率的前提下，盡可能地使夾具輕量化;④夾具需能模擬車載多媒體系統(tǒng)在整車狀態(tài)下的安裝狀態(tài)，同時盡可能提升測試效率;⑤夾具結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、方便組裝、成本低廉。

2? 車載多媒體振動夾具設(shè)計的理論

2.1 振動夾具材料的選擇

為了提高振動夾具剛度和固有頻率，一般設(shè)計時會考慮材質(zhì)的剛度。有公式：

由固有頻率公式可得，固有頻率跟夾具的重量成反比，若想提高夾具的固有頻率，降低夾具的重量非常重要。制作夾具的材料通常有鋼、銅、鋁、鎂、鎂鋁合金等[5]，考慮到某車載多媒體系統(tǒng)約束前后運(yùn)動的零件材質(zhì)為彈簧鋼，為避免夾具與之配合的部分（墊塊和壓塊）易被磨損，故夾具上約束測試件前后運(yùn)動的部件材質(zhì)選用304不銹鋼，而其他部分考慮到減重，選用鋁合金。

表1列舉出振動夾具的材料選擇及其相關(guān)物性。

2.2 振動夾具加工工藝

夾具加工方法有焊接、螺接、鑄造、整體加工及其它方法[6]。結(jié)合成本、加工及組裝性，除不銹鋼墊塊及壓塊外，振動夾具鋁合金部分?jǐn)M采用多部件加工，螺絲初步連接，最終焊接一體以達(dá)到簡化加工、方便組裝、提升整體剛度、降低成本的目標(biāo)。

2.3 振動夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使夾具能順利安裝到振動臺上，夾具底板的安裝孔必須與振動臺上安裝孔的位置一致。同時考慮到提升測試效率，振動夾具設(shè)計成可同時測試兩臺測試件的對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)合安裝產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，初始振動夾具設(shè)計如圖1所示。

3? 有限元優(yōu)化設(shè)計

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對振動夾具做固有頻率分析，將用UG設(shè)計的振動治具三維圖轉(zhuǎn)化成.stp格式，導(dǎo)入ANSYS軟件，按表1設(shè)置材料屬性，劃分網(wǎng)格如圖2。

底座上夾具之間螺絲連接狀況如圖3所示，底座和振動臺直接的螺絲連接孔如圖3藍(lán)色孔所示。

完成以上設(shè)置，利用ANSYS中模態(tài)分析得出初始夾具的前五階的固有頻率、振型和最大形變，此文只研究固有頻率，列出一階固有頻率模態(tài)分析圖，如圖4所示。

匯總初始夾具前五階固有頻率如表2所示。

由分析可以初始夾具的一階固有頻率為827Hz，低于測試頻率的1000Hz，振動過程中易發(fā)生共振。故需要對該方案進(jìn)行優(yōu)化。

應(yīng)用到本治具上采取的措施有：

①增加加強(qiáng)筋來提高夾具整體的剛度（如圖5（a）1所示并對應(yīng)圖5（6）相應(yīng)位置，共6處）。

②頂部除去材料減重（如圖5（b）2所示，共2處）。

③增加中間加強(qiáng)筋的厚度及頭部減重（如圖5（b）3所示，共1處）。

沿用初始夾具的參數(shù)設(shè)置，對優(yōu)化夾具進(jìn)行模態(tài)分析，得出其前五階固有頻率、振型和最大形變，此文只研究固有頻率，故列出一階固有頻率模態(tài)分析圖，如圖6所示。

匯總優(yōu)化后夾具前五階固有頻率如表3所示。

由分析可以優(yōu)化振動夾具的一階固有頻率為1097Hz，高于測試頻率的1000Hz，振動過程中不易發(fā)生共振，該優(yōu)化方案可行。

對比振動夾具優(yōu)化前后的固有頻率，如表4所示。

由表4可得該車載多媒體振動夾具優(yōu)化后其各階固有頻率都有提升，其中一階固有頻率的提升較明顯，提升率達(dá)到33%。

4? 總結(jié)

本文綜合實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，先設(shè)計了振動夾具的初始方案，運(yùn)用有限元方法，得出其一階固有頻率為827Hz，低于要求的1000Hz。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，再次進(jìn)行有限元分析，得出優(yōu)化后方案的一階固有頻率為1097Hz，滿足設(shè)計要求。再對比夾具優(yōu)化前后固有頻率，優(yōu)化措施對各階固有頻率都有提升，特別是一階固有頻率，提升率達(dá)到33%。運(yùn)用有限元法，在設(shè)計端完成優(yōu)化以滿足要求，大大節(jié)省了設(shè)計時間和避免因多次測試造成的資源浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]石可箴.車載多媒體系統(tǒng)中語言識別技術(shù)研究[J].數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，2012（2）：82.

[2]李奇志.環(huán)境振動試驗(yàn)若干技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

[3]杜忠良.基于ANSYS的振動夾具設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2016（10）：94.

[4]倪振華.振動力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1986：26-27.

[5]張智森，陸海桃.某型產(chǎn)品振動試驗(yàn)夾具優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械制造與自動化，44（3）：77-79.

[6]齊克敏，丁樺.材料成形工藝學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：35-50.