周富,李川

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，重慶 401121）

振動(dòng)聯(lián)接器作為振動(dòng)臺(tái)與被試件的連接和能量傳遞的部件，在振動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)揮著極為重要的作用，試驗(yàn)成功與否，試驗(yàn)結(jié)果的可信程度，與聯(lián)接器設(shè)計(jì)、制作及安裝使用水平息息相關(guān)。設(shè)計(jì)不合格的振動(dòng)聯(lián)接器容易造成振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)“共振”、“過(guò)振動(dòng)”或“欠振動(dòng)”，直接影響到振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及振動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)?；诜抡孳浖?duì)振動(dòng)聯(lián)接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析與改進(jìn)，可使結(jié)構(gòu)避免共振或按特定頻率進(jìn)行振動(dòng)，同時(shí)也可了解結(jié)構(gòu)對(duì)不同類(lèi)型動(dòng)力荷載的響應(yīng)，有效提高振動(dòng)聯(lián)接器的設(shè)計(jì)品質(zhì)和振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文以某綜合試驗(yàn)裝置的振動(dòng)聯(lián)接器為研究對(duì)象，基于CATIA三維軟件對(duì)振動(dòng)聯(lián)接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合ANSYS Workbench模態(tài)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的振動(dòng)聯(lián)接器。

1 振動(dòng)聯(lián)接器設(shè)計(jì)基本要求

（1）振動(dòng)聯(lián)接器固有頻率在試驗(yàn)要求頻率（5～2000Hz）范圍外，即振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)聯(lián)接器本身無(wú)共振現(xiàn)象。

（2）振動(dòng)聯(lián)接器應(yīng)能方便地與振動(dòng)臺(tái)及試驗(yàn)臺(tái)連接和拆卸。

（3）在滿(mǎn)足剛度、頻率、位移等約束條件的前提下，振動(dòng)聯(lián)接器重量應(yīng)盡可能輕。

2 振動(dòng)聯(lián)接器初期結(jié)構(gòu)

圖1是振動(dòng)聯(lián)接器初期結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)試驗(yàn)裝置試驗(yàn)工況需要，該振動(dòng)聯(lián)接器由鋁合金底座、310S不銹鋼框架和頂板三部分組成。各部分通過(guò)M16螺栓連接，試驗(yàn)件置于頂板上表面，通過(guò)螺栓與頂板進(jìn)行緊固相連。振動(dòng)聯(lián)接器通過(guò)底座區(qū)域的八個(gè)支撐結(jié)構(gòu)與振動(dòng)臺(tái)連接，并采用螺栓將支撐結(jié)構(gòu)法蘭面與振動(dòng)臺(tái)連接緊固。振動(dòng)聯(lián)接器的質(zhì)量為252kg。

圖1 振動(dòng)聯(lián)接器初期結(jié)構(gòu)示意圖

3 振動(dòng)聯(lián)接器的模態(tài)分析

3．1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析實(shí)質(zhì)是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程的特征值和特征矢量，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)微分方程為：

式中，[M]是結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；[C]是結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；是結(jié)構(gòu)剛度矩陣；是加速度矢量；是速度矢量；是位移矢量；是隨時(shí)間變化的載荷函數(shù)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)不受外力、不計(jì)阻尼時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)微分方程為：

當(dāng)發(fā)生諧振動(dòng)時(shí)，則方程為：

通過(guò)對(duì)式（3）求解，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率iω和振型Φi。

3．2 振動(dòng)聯(lián)接器有限元模型建立

采用CATIA軟件進(jìn)行振動(dòng)聯(lián)接器結(jié)構(gòu)三維建模，然后在A(yíng)NSYS Workbench有限元分析軟件前處理模塊轉(zhuǎn)化生成實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖2）。振動(dòng)聯(lián)接器底座選用鋁合金材料，其余選用不銹鋼材料（表1）。

圖2 振動(dòng)聯(lián)接器初期結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

表1 振動(dòng)聯(lián)接器所用材料的主要物理特性

振動(dòng)夾具上各部分之間的連接螺栓連接采用全約束，對(duì)8個(gè)支撐底部端面施加固定約束。

3．3 仿真分析

應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的模態(tài)分析對(duì)模型分析，得到前六階固有頻率（表2）、振型及相應(yīng)位移。由仿真結(jié)果可以看到，前六階固有頻率均在（5～2000Hz）范圍內(nèi)。說(shuō)明振動(dòng)聯(lián)接器會(huì)產(chǎn)生共振，振動(dòng)頻率傳遞會(huì)失真（圖3）。

表2 振動(dòng)聯(lián)接器前六階固有頻率

圖3 振動(dòng)聯(lián)接器初始結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率下的振型

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用額定推力98000N的振動(dòng)臺(tái)對(duì)振動(dòng)聯(lián)接器進(jìn)行正弦掃頻試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)如圖4所示，在振動(dòng)臺(tái)上安裝加速度傳感器控制試驗(yàn)譜輸入，在振動(dòng)聯(lián)接器頂部中心安裝另一個(gè)加速度傳感器監(jiān)控系統(tǒng)反饋輸出。

圖4 振動(dòng)聯(lián)接器正弦掃頻試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中，213Hz和453Hz左右振動(dòng)臺(tái)出現(xiàn)了明顯共振，200Hz左右時(shí)反饋的加速度信號(hào)如圖5所示。從圖中可以看到，在213.73Hz時(shí)，反饋加速度為36.0804g，453.475Hz時(shí)，反饋加速度是11.8879g，遠(yuǎn)大于其他頻率下的反饋加速度，與仿真分析的共振頻率接近，說(shuō)明模態(tài)仿真結(jié)構(gòu)具有較高的準(zhǔn)確度。

圖5 振動(dòng)聯(lián)接器正弦掃頻試驗(yàn)頻譜

5 振動(dòng)聯(lián)接器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

通過(guò)仿真分析及振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，振動(dòng)聯(lián)接器的固有頻率過(guò)低，出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，傳遞振動(dòng)臺(tái)的能量有偏差，不能準(zhǔn)確的為被試品提供標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的振動(dòng)條件。因此，需要對(duì)振動(dòng)聯(lián)接器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)對(duì)仿真分析中共振頻率點(diǎn)振型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)頂板及框架區(qū)域是整體中的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)振動(dòng)聯(lián)接器結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的振動(dòng)聯(lián)接器質(zhì)量為158kg（圖6）。

圖6 改進(jìn)后的振動(dòng)聯(lián)接器模型

采用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)改進(jìn)后的振動(dòng)聯(lián)接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)第一階固有頻率為2018.8Hz，相比改進(jìn)前有了很大的提升，滿(mǎn)足了頻率（5～2000Hz）范圍外的試驗(yàn)要求（圖7）。

圖7 改進(jìn)后的振動(dòng)聯(lián)接器第一階模態(tài)振型

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某試驗(yàn)裝置振動(dòng)聯(lián)接器進(jìn)行了模態(tài)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)分析優(yōu)化，明顯提高了振動(dòng)聯(lián)接器的固有頻率，避免因固有頻率過(guò)低而導(dǎo)致的“共振”、“過(guò)振動(dòng)”及“欠振動(dòng)”現(xiàn)象。利用CATIA三維建模軟件和ANSYS Workbench有限元分析軟件的結(jié)合的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，極大的提高了設(shè)計(jì)品質(zhì)，為快速解決實(shí)際問(wèn)題提供了有效手段。