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隨著振動試驗技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對振動試驗要求更加嚴(yán)格，試驗夾具作為完成試驗的重要工具，其性能的改進(jìn)則顯得尤為重要。經(jīng)過對某航天閥門產(chǎn)品力學(xué)試驗夾具裝載被試產(chǎn)品后的振動特性響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)原有力學(xué)試驗夾具存在不足。

 

基于此，本文對該力學(xué)試驗夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用有限元軟件對改進(jìn)前和改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具的固有頻率和振型進(jìn)行仿真和對比分析。針對改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具的固有頻率、振型和響應(yīng)位移方面存在的不足，依據(jù)仿真數(shù)據(jù)對試驗夾具結(jié)構(gòu)及性能方面進(jìn)行改進(jìn)，使得改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具性能更加滿足產(chǎn)品試驗要求，從而更加保證航天閥門產(chǎn)品試驗的順利完成。

 

仿真模態(tài)分析簡介

 

01仿真模態(tài)分析理論

 

模態(tài)分析是動力學(xué)分析中一種常用的計算分析方法，該方法通過計算結(jié)構(gòu)件的固有頻率和振型，可以清晰的知道構(gòu)件和支撐結(jié)構(gòu)兩者之間的關(guān)系。文獻(xiàn)指出結(jié)構(gòu)件在外界干擾或激勵下容易產(chǎn)品振動的頻率為該結(jié)構(gòu)件的固有頻率，結(jié)構(gòu)件在該固有頻率下產(chǎn)生的變形稱為該結(jié)構(gòu)件振型。閱讀文獻(xiàn)可知，結(jié)構(gòu)件的固有頻率和振型可通過求解振動方程的特征值和特征向量得到，特征值對應(yīng)結(jié)構(gòu)件的固有頻率，特征向量對應(yīng)結(jié)構(gòu)件的振型。

 

本文在進(jìn)行模態(tài)分析時忽略阻尼和外界載荷的影響，因此系統(tǒng)的振動方程可簡化為為：

 (1)

式中：

[M]—質(zhì)量矩陣；

[K]—剛度矩陣。

對于線性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，[M]和[K]則為實對稱陣，因此，式(1)中有簡諧函數(shù)形式的解：

 (2)

式中：

{ø}—特征向量或振型；

ω—圓頻率。

將{u}和微分形式代入式(1)中，得到：

(3)

因上述公式在任意時刻t均成立，因此上式可簡化為:

 (4)

若( [K]- ω[M]2)是奇異的，則上式中的{ø}有非零解，即矩陣系數(shù)的行列式為:

 (5)

或：

 (6)

其中：ω2=λ。

上式可解出一系列離散的特征值λi或ωi 2。對于每一個特征值，都會有一個特征向量{øi}滿足式(4)，即：

(7)

求解得到的結(jié)構(gòu)件的每個特征值和特征向量都是結(jié)構(gòu)的一種自由振動形式。特征值與特征向量的數(shù)目與自由度數(shù)目相同。

 

02仿真材料屬性定義

 

定義材料屬性是仿真分析的基礎(chǔ)，由于材料在不同狀態(tài)下會有不用的材料屬性和力學(xué)性能，所以定義材料屬性在特性分析中就顯得尤為重要。本文試驗夾具的材料選擇對于試驗夾具的可靠性也是至關(guān)重要的。結(jié)合試驗夾具本身的要求及試驗產(chǎn)品對夾具的要求，本文選用的材料為鋁合金5A05材料，選擇的主要原因是考慮其剛度大、阻尼大并且成本合理。材料參數(shù)設(shè)置如下：彈性模量 E=70.3GPa，泊松比為μ=0.3，密度ρ=2700 kg/m3。

 

03仿真邊界定義及加載

 

邊界條件是指求解區(qū)域邊界上所求解的變量及其倒數(shù)隨時間和地點的變化規(guī)律。本文邊界條件采用的是對所有的螺孔進(jìn)行六自由度約束。

另外，由于試驗夾具的實際結(jié)構(gòu)本身存在一定的結(jié)構(gòu)阻尼，本文在進(jìn)行頻響分析時，仿真分析試驗夾具整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03，并且將材料的結(jié)構(gòu)阻尼考慮在內(nèi)。

 

力學(xué)試驗夾具改進(jìn)及仿真分析

 

01.改進(jìn)前試驗夾具仿真分析

 

1.改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具模型

基于ANSYS仿真軟件對改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具進(jìn)行仿真分析，以修正并改進(jìn)改進(jìn)前的夾具的不合理性，更好地滿足力學(xué)試驗的要求。改進(jìn)前的力學(xué)試驗夾具的三維模型如圖1所示。

 

 

圖1 改進(jìn)前的力學(xué)試驗夾具三維模型

 

改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具采用的是對稱分布方式，兩側(cè)各兩根加強(qiáng)筋保證夾具的強(qiáng)度滿足要求，加強(qiáng)筋厚度為15mm，選擇夾具的底板厚度為20mm，中心垂直板的厚度為25mm，左側(cè)底板設(shè)置2×4個安裝孔，右側(cè)底板設(shè)置4個孔位，試驗夾具底板尺寸為550mm×270mm。

 

基于改進(jìn)前力學(xué)試驗三維模型，通過有限元ANSYS仿真軟件，定義材料屬性并進(jìn)行邊界條件設(shè)置和受力加載，建立改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具有限元模型如圖2所示。在有限元軟件ANSYS中，建模時為長方體結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格時采用六面體單元，因為其精度比較高。該模型是由5876個單元以及9271個節(jié)點組成。試驗夾具與設(shè)備連接為螺栓連接，在有限元仿真中，本章均采用多點約束中的純剛性（Rbe2）進(jìn)行連接，完全約束六個方向的自由度。

 

 

圖2 改進(jìn)前的力學(xué)試驗夾具的有限元模型

 

2.改進(jìn)前模態(tài)仿真分析結(jié)果

根據(jù)改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具三維模型，建立起有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，改進(jìn)前夾具試驗結(jié)果和仿真結(jié)果一階特性對比如表1所示，從表1對比中可以驗證出仿真結(jié)果的有效性。

 

表1 產(chǎn)品和改進(jìn)前試驗夾具一階特性對比

 

 

由表1可以看到，改進(jìn)前夾具的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差在15.3%以內(nèi)，說明仿真模型簡化有效，結(jié)果可靠。

 

02.力學(xué)試驗夾具的改進(jìn)過程

 

基于對改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具的各項分析，可以發(fā)現(xiàn)其雖然能滿足力學(xué)試驗夾具的一些基本要求，但對于本文針對的產(chǎn)品來說，改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具還有一些不合適的地方，因此，本章對試驗夾具進(jìn)行改進(jìn)，使其不僅能滿足夾具的基本設(shè)計要求，還能有針對性的為試驗產(chǎn)品提供更高的試驗環(huán)境。適合的夾具可以提供更準(zhǔn)確的力學(xué)環(huán)境，有效避免過試驗對產(chǎn)品造成的損傷，使產(chǎn)品得到更準(zhǔn)確的考核。

 

本節(jié)對試驗夾具的改進(jìn)首先考慮的是安裝方面，一方面是夾具與振動試驗臺的之間的剛性連接，改進(jìn)后試驗夾具對振動臺孔位進(jìn)行一一對應(yīng)，從而保證了試驗過程中夾具的精確安裝，不存在需要壓板進(jìn)行搭壓的風(fēng)險；另一方面是產(chǎn)品安裝至試驗夾具上的孔位設(shè)計也進(jìn)行了改進(jìn)，選擇產(chǎn)品安裝方式為螺接，試驗夾具的螺釘孔均采用鋼絲螺套以保證螺接的可靠性，且過程中從產(chǎn)品底面下表面向上安裝螺釘，改進(jìn)后夾具選定夾具的形式為L形，方便了夾具安裝于振動臺上，又解決了產(chǎn)品安裝不方便的問題，但此次設(shè)計采用非對稱式，一面用于安裝產(chǎn)品，另一面通過加強(qiáng)筋進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)，這樣既保證了產(chǎn)品的安裝，又節(jié)省材料減輕夾具本身的重量并提高了其固有頻率。

 

其次，在強(qiáng)度方面的改進(jìn)問題，改進(jìn)后夾具底板及垂直板厚度均增加至30mm，在L形夾具產(chǎn)品安裝對側(cè)增加加強(qiáng)筋，該加強(qiáng)筋的加入既能保證試驗夾具的力學(xué)性能及強(qiáng)度要求等，還不會妨礙產(chǎn)品及夾具本身的安裝問題，因此，其空間尺寸，加強(qiáng)筋位置都需要滿足這個要求，基于此，改進(jìn)后試驗夾具的加強(qiáng)筋厚度選用為30mm，相比于改進(jìn)前的15mm，其強(qiáng)度增加顯而易見，且分布在產(chǎn)品安裝的對側(cè)位置，從而保證了產(chǎn)品和夾具能順利安裝，并且保證了試驗夾具的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

 

最后，基于夾具的選材及其制造方法的改進(jìn)，本文選用的是鋁合金材料牌號5A06，該鋁合金材料具有比剛度（彈性模量/密度）大、阻尼大、質(zhì)量輕、性價比高等優(yōu)點，且更易焊接，焊接后焊縫處不易斷裂，因此改進(jìn)后夾具選用這種材料，既能保證成本和質(zhì)量，又能滿足強(qiáng)度要求；試驗夾具的制造方法考慮到制作周期，制作成本，夾具可靠性等方面，依然采用焊接方式，但改進(jìn)后的焊接更加牢固，焊縫處做加固處理，并去除應(yīng)力集中，不會造成斷裂損傷，充分保證了強(qiáng)度?；谝陨戏矫娴母倪M(jìn)，改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具滿足接口強(qiáng)度加強(qiáng)、試驗條件、傳遞特性、動強(qiáng)度等各方面要求。

 

03.改進(jìn)后試驗夾具仿真分析

 

1.改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具模型

基于有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析，首先對需要仿真分析的力學(xué)試驗夾具模型進(jìn)行簡化，通過對改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具的合理化的優(yōu)化建議，通過對試驗夾具的改進(jìn)方案論證并結(jié)合振動試驗臺的設(shè)備能力，設(shè)計新的力學(xué)模型，改進(jìn)后的力學(xué)試驗夾具三維模型如圖3所示。

 

 

圖3 改進(jìn)后的力學(xué)試驗夾具三維模型

 

試驗夾具底板及各肋板厚度為30mm，底板設(shè)置3×4個安裝孔，間隔為100mm，試驗夾具底板尺寸為350mm×250mm，側(cè)面三根加強(qiáng)筋保證力學(xué)試驗夾具的強(qiáng)度和可靠性，加強(qiáng)筋厚度增加至30mm，保證了力學(xué)試驗夾具的強(qiáng)度和可靠性。

基于改進(jìn)后力學(xué)試驗三維模型，通過有限元ANSYS仿真軟件，定義材料屬性并進(jìn)行邊界條件設(shè)置和受力加載，關(guān)于定義材料屬性和邊界條件設(shè)置及加載參見1.2節(jié)和1.3節(jié)，此處不再贅述，建立改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具有限元模型如圖4所示。在有限元軟件ANSYS中，建模時為長方體結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格時采用六面體單元，選用此種方法實由于其精度較高，可滿足本章建模的需要。該模型是由14596個單元以及18655個節(jié)點組成。試驗夾具與設(shè)備連接為螺栓連接，在有限元仿真中，本章均采用多點約束中的純剛性（Rbe2）進(jìn)行連接，完全約束六個方向的自由度。

 

 

圖4 改進(jìn)后的試驗夾具的有限元模型

 

2.改進(jìn)后模態(tài)仿真分析結(jié)果

根據(jù)改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具三維模型，建立起有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具模態(tài)結(jié)果如圖5所示。產(chǎn)品和改進(jìn)前試驗夾具一階特性對比表如表2所示，從圖表對比中可以驗證出仿真結(jié)果的有效性。

 

 

圖5 改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具模態(tài)結(jié)果

 

表2 產(chǎn)品及改進(jìn)后試驗夾具一階特性對比

 

 

改進(jìn)后試驗夾具強(qiáng)度分析

 

強(qiáng)度分析研究結(jié)構(gòu)在常溫條件下承受載荷的能力，除研究承載能力外，還包括結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力和結(jié)構(gòu)在載荷作用下的響應(yīng)特性。夾具設(shè)計完成后需要進(jìn)一步地校核夾具的強(qiáng)度。

 

加載條件：假設(shè)產(chǎn)品的質(zhì)量在10kg左右，隨機(jī)均方根加速度為14.11g，考慮到隨機(jī)振動時域均方根加速度峰值為3倍~5倍，同時，綜合考慮安全系數(shù)為2，加載力F=ma×5×2=13827.8N。加載力均勻分布在產(chǎn)品安裝節(jié)點上。分別施加X向載荷、Y向載荷、Z向載荷，得到各方向的應(yīng)變分布圖及應(yīng)力分布圖，具體應(yīng)變及應(yīng)力分布圖分別如圖6～9所示。從應(yīng)力分布圖可以看到：X向最大位移為4mm，最大應(yīng)力為10.3MPa；Y向最大位移為3.9mm，最大應(yīng)力為7.07MPa；Z向最大位移為2.414mm，最大應(yīng)力為1.79MPa；考慮三個方向同時施加載荷，最大位移為7.4mm，最大應(yīng)力為15.4MPa，在材料的彈性范圍內(nèi)，可見其滿足夾具的強(qiáng)度要求。

 

 

圖6 僅X向施加載荷后的應(yīng)變及應(yīng)力分布圖

 

 

圖7 僅Y向施加載荷后的應(yīng)變及應(yīng)力分布圖

 

 

圖8 僅Z向施加載荷后的應(yīng)變及應(yīng)力分布圖

 

 

圖9 X向、Y向、Z向同時施加載荷后的應(yīng)變及應(yīng)力分布圖 

 

兩種力學(xué)試驗夾具頻響對比分析

 

基于前面兩節(jié)對改進(jìn)前和改進(jìn)后兩種力學(xué)試驗夾具的有限元仿真分析，從固有特性，即一階固有頻率和振型方面進(jìn)行了兩種試驗夾具的對比，可驗證改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具的可靠性和優(yōu)越性，從而等更高要求地滿足試驗的要求?；诖?，本節(jié)從力學(xué)試驗夾具的頻響分析出發(fā)，采用有限元仿真軟件ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析，采用模態(tài)疊加法進(jìn)行掃頻分析，掃頻范圍為1~2000Hz，加載激勵為1G，重點關(guān)注了力學(xué)試驗夾具上需要粘貼控制點和測量點的位置，對兩個力學(xué)試驗夾具的頻響分析進(jìn)行對比如圖10所示。因為最大響應(yīng)一般集中在一階共振頻率處，同時對整頻段計算數(shù)據(jù)量過大，本文僅對一階峰值的最大響應(yīng)進(jìn)行了分析對比。

 

 

圖10 兩種試驗夾具的頻響分析對比圖

 

觀察圖10可知，改進(jìn)前的夾具頻率在0~2000Hz范圍內(nèi)相對于改進(jìn)后偏低，即改進(jìn)后的夾具相對于改進(jìn)前的夾具引起系統(tǒng)的共振次數(shù)相對較少；改進(jìn)前的夾具的幅值相對于改進(jìn)后的偏高，即產(chǎn)生共振時改進(jìn)后的振動幅值相對較小。從而說明本文的改進(jìn)后的夾具在抑制共振方面具有很大的優(yōu)勢。產(chǎn)品、改進(jìn)前夾具及改進(jìn)后試驗夾具特性對比表如表3所示，從表中可以看出，誤差在要求的范圍內(nèi)，從而可以驗證仿真結(jié)果的有效性。

 

表3 產(chǎn)品與兩種試驗夾具的一階特性對比

 

 

結(jié)束語

 

本文基于某航天閥門力學(xué)試驗夾具本身特性及負(fù)載被試產(chǎn)品后特性分析，從材料、力學(xué)性能、仿真分析各方面著手進(jìn)行夾具的改進(jìn)工作，利用有限元軟件對改進(jìn)前和改進(jìn)后力學(xué)試驗夾具的固有頻率和振型進(jìn)行仿真和對比分析。改進(jìn)前力學(xué)試驗夾具的固有頻率、振型和響應(yīng)位移存在明顯不足，力學(xué)試驗夾具改進(jìn)后其結(jié)構(gòu)及性能方面均有提升，從仿真分析的對比結(jié)果可以看出改進(jìn)后的力學(xué)試驗夾具性能更加滿足產(chǎn)品試驗要求，在試驗夾具方面規(guī)避了試驗風(fēng)險，保障了試驗過程。

 

引用本文：

 

馮盟蛟，張文勝，次永偉，程建，張峻，張毅.某航天閥門力學(xué)試驗夾具改進(jìn)及仿真分析[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(01):195-202.