汪紅波

(浙江師范大學(xué) 先進(jìn)材料成形技術(shù)研究所，浙江 金華 321019)

在產(chǎn)品的環(huán)境測試中，振動(dòng)測試是諸多方式中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。經(jīng)過振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備模擬相應(yīng)環(huán)境測試后的產(chǎn)品，就能夠準(zhǔn)確地得到其振動(dòng)特性[1]、可靠性及環(huán)境的要求等。而振動(dòng)平臺(tái)是振動(dòng)測試所必需的，是否能夠均勻地將振動(dòng)頻率[2]傳輸?shù)綔y試物，平臺(tái)的作用至關(guān)重要；因此平臺(tái)的設(shè)計(jì)是需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中不斷優(yōu)化而得到的。

本文運(yùn)用了CAD與EMA虛擬技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)振動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)開發(fā)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)與軟件分析，建立了新型的平臺(tái)開發(fā)流程，以作為今后技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)。

1 模型建立

參照企業(yè)現(xiàn)有的振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)(見圖1)，運(yùn)用三維CAD軟件設(shè)計(jì)新型平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)原則是平臺(tái)的尺寸、質(zhì)量、體積不得大于原始設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，通過對(duì)外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，最終得到最佳的結(jié)構(gòu)形式，然后對(duì)結(jié)構(gòu)各尺寸參數(shù)進(jìn)行最佳化的分析。

圖1 原始振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)

考慮到平臺(tái)平坦度落差最大的是平臺(tái)的中心與4個(gè)角落，所以四角相關(guān)的模態(tài)是影響平坦度最大的因素，新型振動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮減少四角振幅位移量來提高平臺(tái)的平坦度性能，以達(dá)到提升平臺(tái)振動(dòng)測試的可控性[3]；因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以平臺(tái)四角的結(jié)構(gòu)為主要加強(qiáng)部分來抑制四角振幅量，以獲得最佳的平臺(tái)。新型平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要考慮具體包括如下3個(gè)方面。

1)去除原始設(shè)計(jì)的頂面肋板。考慮輕量化的目的，先去除頂面小肋板，來探討小肋板對(duì)平臺(tái)平坦度的影響。

2)四角側(cè)裙加高。為了降低四角振型的振幅，增加4個(gè)角落相對(duì)的剛度，考慮通過結(jié)構(gòu)變更來抑制四角的位移量，提高平臺(tái)的平坦度性能及可控性。

3)放射狀肋骨。由此來加強(qiáng)頂面下方接近角落區(qū)域的剛度，用增加此區(qū)域的肋板來達(dá)到降低平臺(tái)響應(yīng)振幅的目標(biāo)。

綜合上述原則與條件，應(yīng)用三維UG軟件，設(shè)計(jì)出的新型振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 新型振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)

2 模型驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)完成的平臺(tái)3D模型，運(yùn)用有限元分析軟件建構(gòu)有限元模型，先進(jìn)行自由邊界模態(tài)分析，比較新型平臺(tái)與原始平臺(tái)的模態(tài)參數(shù)，來確認(rèn)新型平臺(tái)模型的合理性；然后再進(jìn)行固定邊界的模態(tài)分析，確認(rèn)套用相同邊界設(shè)定的可行性。

2.1 自由邊界模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是為了確認(rèn)由理論分析模擬建構(gòu)的分析模型是否等效于實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，以便應(yīng)用電腦軟件來進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)，如模型修整、載荷估值及響應(yīng)預(yù)測等參數(shù)。首先由CAD軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)模型，并將三維圖形導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行理論模態(tài)分析，來求得平臺(tái)的振動(dòng)特性；然后進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，求得平臺(tái)在自由邊界下的模態(tài)參數(shù)，通過比較模態(tài)參數(shù)來驗(yàn)證平臺(tái)有限元模型的合理性及正確性。自由邊界有限元模型如圖3所示。

圖3 自由邊界有限元模型

自由邊界的自然頻率比較表見表1。表1中，R為剛體模態(tài)，F(xiàn)為有限元分析的彈性模態(tài)，E為試驗(yàn)分析的模態(tài)。在自然頻率對(duì)比中，自由邊界會(huì)有6個(gè)方向的剛體模態(tài)，包括3個(gè)軸向位移與繞3個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)模態(tài)。從表1可以看出，除了試驗(yàn)E03對(duì)應(yīng)的F03與F05以及試驗(yàn)E04對(duì)應(yīng)的F06，這2組模態(tài)的頻率誤差>10%以外，其余的低于±10%，顯示在頻率上的對(duì)比非常好。

表1 平臺(tái)自由邊界的自然頻率比較表

2.2 固定邊界模型驗(yàn)證

由于在實(shí)際應(yīng)用過程中平臺(tái)是在振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備上的，因此，為了針對(duì)大型測試物的振動(dòng)測試，應(yīng)用螺栓將平臺(tái)固定在軟件設(shè)定的固定臺(tái)面上[4]。在有限元分析過程中，使用在自由邊界模型驗(yàn)證中已經(jīng)驗(yàn)證合格的平臺(tái)有限元模型，要考慮平臺(tái)底部螺栓與接觸面的邊界效應(yīng)，這樣才能夠完整地模擬實(shí)際狀態(tài)的有限元模型(見圖4)，才能得到最接近實(shí)際狀態(tài)下的振動(dòng)特性。同時(shí)也要進(jìn)行EMA和FEA的比較，求得平臺(tái)的固定邊界下的模態(tài)參數(shù)，更加進(jìn)一步驗(yàn)證平臺(tái)有限元分析模型的完整性。

圖4 固定邊界有限元模型

平臺(tái)自由固定邊界的自然頻率比較表見表2。從表2可以看出，除試驗(yàn)E09對(duì)應(yīng)的理論F07、E10對(duì)應(yīng)的理論F11及E12對(duì)應(yīng)的理論F15的頻率誤差約為20%以外，其余大部分皆在±12%，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，這個(gè)偏差在允許的范圍內(nèi)，顯示在頻率上的比對(duì)可以接受。

表2 平臺(tái)固定邊界的自然頻率比較表

2.3 平坦度性能驗(yàn)證

平坦度性能是定義品質(zhì)的指標(biāo)，是評(píng)判振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)劣的參考依據(jù)。把上述驗(yàn)證的完整模型，通過簡諧相應(yīng)分析，求得平臺(tái)測試面的頻率響應(yīng)函數(shù)，再由所建立的平坦度評(píng)估模式[5]，獲得理論預(yù)測平臺(tái)的平坦度性能指標(biāo)。試驗(yàn)儀器現(xiàn)場如圖5所示。通過振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備輸入激振頻譜，同時(shí)在平臺(tái)測試面上測得頻域響應(yīng)函數(shù)，得到試驗(yàn)的平坦度性能指標(biāo)；再將理論值與試驗(yàn)值的平坦度結(jié)果進(jìn)行比較，就可以更加確定理論有限元模型模擬的合理性。平坦度結(jié)果可以作為后續(xù)新平臺(tái)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

圖5 試驗(yàn)儀器現(xiàn)場

表3是2種設(shè)計(jì)預(yù)測控制加速度[6]在2 000 Hz內(nèi)平坦度的比較。四角及中間部分平坦度有限元仿真分析如圖6所示。由表3和圖6可知，平坦度分布非常相似，在四邊平坦度值較大，四角及中間部分為平坦度最佳區(qū)域?？梢娦滦蜏y試平臺(tái)滿足設(shè)計(jì)要求[7-8]。

表3 2種設(shè)計(jì)預(yù)測控制加速度在2 000 Hz內(nèi)在不同點(diǎn)平坦度的比較

圖6 四角及中間部分平坦度有限元仿真分析

3 結(jié)語

本文主要借助CAD三維軟件及有限元分析軟件開發(fā)設(shè)計(jì)了新型平坦度振動(dòng)[9]測試垂直輔助平臺(tái)，建立了一套設(shè)計(jì)開發(fā)驗(yàn)證流程，并定義了平坦度的性能指標(biāo)，借助性能指標(biāo)評(píng)估原始設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，獲得了最佳的設(shè)計(jì)平臺(tái)。今后套用此分析流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以獲得平坦度最佳、性能更優(yōu)的創(chuàng)新型振動(dòng)測試輔助平臺(tái)[10]。