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嘉峪檢測網 2022-05-20 23:31
隨著振動試驗技術的發展和進步，對振動試驗要求更加嚴格，試驗夾具作為完成試驗的重要工具，其性能的改進則顯得尤為重要。經過對某航天閥門產品力學試驗夾具裝載被試產品后的振動特性響應分析，發現原有力學試驗夾具存在不足。
基于此，本文對該力學試驗夾具進行結構優化，利用有限元軟件對改進前和改進后力學試驗夾具的固有頻率和振型進行仿真和對比分析。針對改進前力學試驗夾具的固有頻率、振型和響應位移方面存在的不足，依據仿真數據對試驗夾具結構及性能方面進行改進，使得改進后力學試驗夾具性能更加滿足產品試驗要求，從而更加保證航天閥門產品試驗的順利完成。
仿真模態分析簡介
01仿真模態分析理論
模態分析是動力學分析中一種常用的計算分析方法，該方法通過計算結構件的固有頻率和振型，可以清晰的知道構件和支撐結構兩者之間的關系。文獻指出結構件在外界干擾或激勵下容易產品振動的頻率為該結構件的固有頻率，結構件在該固有頻率下產生的變形稱為該結構件振型。閱讀文獻可知，結構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，特征值對應結構件的固有頻率，特征向量對應結構件的振型。
本文在進行模態分析時忽略阻尼和外界載荷的影響，因此系統的振動方程可簡化為為：
(1)
式中：
[M]—質量矩陣；
[K]—剛度矩陣。
對于線性的系統結構，[M]和[K]則為實對稱陣，因此，式(1)中有簡諧函數形式的解：
(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)
求解得到的結構件的每個特征值和特征向量都是結構的一種自由振動形式。特征值與特征向量的數目與自由度數目相同。
02仿真材料屬性定義
定義材料屬性是仿真分析的基礎，由于材料在不同狀態下會有不用的材料屬性和力學性能，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重要的。結合試驗夾具本身的要求及試驗產品對夾具的要求，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。材料參數設置如下：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域邊界上所求解的變量及其倒數隨時間和地點的變化規律。本文邊界條件采用的是對所有的螺孔進行六自由度約束。
另外，由于試驗夾具的實際結構本身存在一定的結構阻尼，本文在進行頻響分析時，仿真分析試驗夾具整體結構的結構阻尼比取0.03，并且將材料的結構阻尼考慮在內。
力學試驗夾具改進及仿真分析
01.改進前試驗夾具仿真分析
1.改進前力學試驗夾具模型
基于ANSYS仿真軟件對改進前力學試驗夾具進行仿真分析，以修正并改進改進前的夾具的不合理性，更好地滿足力學試驗的要求。改進前的力學試驗夾具的三維模型如圖1所示。
圖1 改進前的力學試驗夾具三維模型
改進前力學試驗夾具采用的是對稱分布方式，兩側各兩根加強筋保證夾具的強度滿足要求，加強筋厚度為15mm，選擇夾具的底板厚度為20mm，中心垂直板的厚度為25mm，左側底板設置2×4個安裝孔，右側底板設置4個孔位，試驗夾具底板尺寸為550mm×270mm。
基于改進前力學試驗三維模型，通過有限元ANSYS仿真軟件，定義材料屬性并進行邊界條件設置和受力加載，建立改進前力學試驗夾具有限元模型如圖2所示。在有限元軟件ANSYS中，建模時為長方體結構，劃分網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個節點組成。試驗夾具與設備連接為螺栓連接，在有限元仿真中，本章均采用多點約束中的純剛性（Rbe2）進行連接，完全約束六個方向的自由度。
圖2 改進前的力學試驗夾具的有限元模型
2.改進前模態仿真分析結果
根據改進前力學試驗夾具三維模型，建立起有限元模型進行模態分析，改進前夾具試驗結果和仿真結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果的有效性。
表1 產品和改進前試驗夾具一階特性對比
由表1可以看到，改進前夾具的仿真結果與試驗結果誤差在15.3%以內，說明仿真模型簡化有效，結果可靠。
02.力學試驗夾具的改進過程
基于對改進前力學試驗夾具的各項分析，可以發現其雖然能滿足力學試驗夾具的一些基本要求，但對于本文針對的產品來說，改進前力學試驗夾具還有一些不合適的地方，因此，本章對試驗夾具進行改進，使其不僅能滿足夾具的基本設計要求，還能有針對性的為試驗產品提供更高的試驗環境。適合的夾具可以提供更準確的力學環境，有效避免過試驗對產品造成的損傷，使產品得到更準確的考核。
本節對試驗夾具的改進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，改進后試驗夾具對振動臺孔位進行一一對應，從而保證了試驗過程中夾具的精確安裝，不存在需要壓板進行搭壓的風險；另一方面是產品安裝至試驗夾具上的孔位設計也進行了改進，選擇產品安裝方式為螺接，試驗夾具的螺釘孔均采用鋼絲螺套以保證螺接的可靠性，且過程中從產品底面下表面向上安裝螺釘，改進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，又解決了產品安裝不方便的問題，但此次設計采用非對稱式，一面用于安裝產品，另一面通過加強筋進行強度加強，這樣既保證了產品的安裝，又節省材料減輕夾具本身的重量并提高了其固有頻率。
其次，在強度方面的改進問題，改進后夾具底板及垂直板厚度均增加至30mm，在L形夾具產品安裝對側增加加強筋，該加強筋的加入既能保證試驗夾具的力學性能及強度要求等，還不會妨礙產品及夾具本身的安裝問題，因此，其空間尺寸，加強筋位置都需要滿足這個要求，基于此，改進后試驗夾具的加強筋厚度選用為30mm，相比于改進前的15mm，其強度增加顯而易見，且分布在產品安裝的對側位置，從而保證了產品和夾具能順利安裝，并且保證了試驗夾具的穩定性和強度。
最后，基于夾具的選材及其制造方法的改進，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、質量輕、性價比高等優點，且更易焊接，焊接后焊縫處不易斷裂，因此改進后夾具選用這種材料，既能保證成本和質量，又能滿足強度要求；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，但改進后的焊接更加牢固，焊縫處做加固處理，并去除應力集中，不會造成斷裂損傷，充分保證了強度。基于以上方面的改進，改進后力學試驗夾具滿足接口強度加強、試驗條件、傳遞特性、動強度等各方面要求。
03.改進后試驗夾具仿真分析
1.改進后力學試驗夾具模型
基于有限元軟件ANSYS進行仿真分析，首先對需要仿真分析的力學試驗夾具模型進行簡化，通過對改進前力學試驗夾具的合理化的優化建議，通過對試驗夾具的改進方案論證并結合振動試驗臺的設備能力，設計新的力學模型，改進后的力學試驗夾具三維模型如圖3所示。
圖3 改進后的力學試驗夾具三維模型
試驗夾具底板及各肋板厚度為30mm，底板設置3×4個安裝孔，間隔為100mm，試驗夾具底板尺寸為350mm×250mm，側面三根加強筋保證力學試驗夾具的強度和可靠性，加強筋厚度增加至30mm，保證了力學試驗夾具的強度和可靠性。
基于改進后力學試驗三維模型，通過有限元ANSYS仿真軟件，定義材料屬性并進行邊界條件設置和受力加載，關于定義材料屬性和邊界條件設置及加載參見1.2節和1.3節，此處不再贅述，建立改進前力學試驗夾具有限元模型如圖4所示。在有限元軟件ANSYS中，建模時為長方體結構，劃分網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個節點組成。試驗夾具與設備連接為螺栓連接，在有限元仿真中，本章均采用多點約束中的純剛性（Rbe2）進行連接，完全約束六個方向的自由度。
圖4 改進后的試驗夾具的有限元模型
2.改進后模態仿真分析結果
根據改進后力學試驗夾具三維模型，建立起有限元模型進行模態分析，改進后力學試驗夾具模態結果如圖5所示。產品和改進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果的有效性。
圖5 改進后力學試驗夾具模態結果
表2 產品及改進后試驗夾具一階特性對比
改進后試驗夾具強度分析
強度分析研究結構在常溫條件下承受載荷的能力，除研究承載能力外，還包括結構抵抗變形的能力和結構在載荷作用下的響應特性。夾具設計完成后需要進一步地校核夾具的強度。
加載條件：假設產品的質量在10kg左右，隨機均方根加速度為14.11g，考慮到隨機振動時域均方根加速度峰值為3倍~5倍，同時，綜合考慮安全系數為2，加載力F=ma×5×2=13827.8N。加載力均勻分布在產品安裝節點上。分別施加X向載荷、Y向載荷、Z向載荷，得到各方向的應變分布圖及應力分布圖，具體應變及應力分布圖分別如圖6～9所示。從應力分布圖可以看到：X向最大位移為4mm，最大應力為10.3MPa；Y向最大位移為3.9mm，最大應力為7.07MPa；Z向最大位移為2.414mm，最大應力為1.79MPa；考慮三個方向同時施加載荷，最大位移為7.4mm，最大應力為15.4MPa，在材料的彈性范圍內，可見其滿足夾具的強度要求。
圖6 僅X向施加載荷后的應變及應力分布圖
圖7 僅Y向施加載荷后的應變及應力分布圖
圖8 僅Z向施加載荷后的應變及應力分布圖
圖9 X向、Y向、Z向同時施加載荷后的應變及應力分布圖
兩種力學試驗夾具頻響對比分析
基于前面兩節對改進前和改進后兩種力學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行了兩種試驗夾具的對比，可驗證改進后力學試驗夾具的可靠性和優越性，從而等更高要求地滿足試驗的要求。基于此，本節從力學試驗夾具的頻響分析出發，采用有限元仿真軟件ANSYS軟件進行模擬分析，采用模態疊加法進行掃頻分析，掃頻范圍為1~2000Hz，加載激勵為1G，重點關注了力學試驗夾具上需要粘貼控制點和測量點的位置，對兩個力學試驗夾具的頻響分析進行對比如圖10所示。因為最大響應一般集中在一階共振頻率處，同時對整頻段計算數據量過大，本文僅對一階峰值的最大響應進行了分析對比。
圖10 兩種試驗夾具的頻響分析對比圖
觀察圖10可知，改進前的夾具頻率在0~2000Hz范圍內相對于改進后偏低，即改進后的夾具相對于改進前的夾具引起系統的共振次數相對較少；改進前的夾具的幅值相對于改進后的偏高，即產生共振時改進后的振動幅值相對較小。從而說明本文的改進后的夾具在抑制共振方面具有很大的優勢。產品、改進前夾具及改進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，從而可以驗證仿真結果的有效性。
表3 產品與兩種試驗夾具的一階特性對比
結束語
本文基于某航天閥門力學試驗夾具本身特性及負載被試產品后特性分析，從材料、力學性能、仿真分析各方面著手進行夾具的改進工作，利用有限元軟件對改進前和改進后力學試驗夾具的固有頻率和振型進行仿真和對比分析。改進前力學試驗夾具的固有頻率、振型和響應位移存在明顯不足，力學試驗夾具改進后其結構及性能方面均有提升，從仿真分析的對比結果可以看出改進后的力學試驗夾具性能更加滿足產品試驗要求，在試驗夾具方面規避了試驗風險，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.某航天閥門力學試驗夾具改進及仿真分析[J].環境技術,2022,40(01):195-202.
來源：環境技術核心期刊
