基于Pro/Mechanica的T型工裝優化設計分析

王 鎮，陳順利，趙學琴

(1.北京航天光華電子技術有限公司，北京 100854；2.北京北儀創新真空技術有限責任公司 新品研發部 研發中心，北京 102600)

基于Pro/Mechanica的T型工裝優化設計分析

王 鎮1，陳順利1，趙學琴2

(1.北京航天光華電子技術有限公司，北京 100854；2.北京北儀創新真空技術有限責任公司 新品研發部 研發中心，北京 102600)

對于不斷發展中的產品，其使用環境也在發生變化，這對產品的力學環境試驗能力提出了更高的要求。為了保障產品順利完成力學試驗驗證，需要對工裝設計進行嚴格把關。通過應用Pro/Mechanica對某T型工裝的結構設計進行有限元分析、設計參數模態分析和靈敏度分析，并建立以1階固有頻率為目標函數，工裝質量為約束的優化數學模型，對參數尺寸進行了最優計算。通過這一優化設計分析，在滿足振動技術要求的同時，把產品設計與三維仿真及有限元分析系統有效地結合起來，從而實現了工裝設計的高效率、低成本和自動化要求。

Pro/E；Mechanica；T型；工裝；優化設計

設備在使用和運輸過程中可能遭受各種振動、沖擊和加速度載荷。為了對產品設計進行驗證，就需要在環境例行實驗室對各單板或整機進行正弦、隨機、 離心以及沖擊等多種形式的力學試驗。試驗中由于各產品安裝接口不同、結構形式各異，需要利用振動工裝連接振動臺和待振產品， 并將振動臺上的振動量級傳遞到待振產品上。試驗過程中，通過翻轉振動臺或工裝可以實現技術要求的不同方向振動試驗。由于振動工裝精度較高、易控制、設計和加工成本低，因此作為一種工藝裝備，在振動試驗中得到較為普遍的應用[1]。

本文以振動工裝設計中常用的T型結構為研究對象，在Pro/E集成模式下運用Pro/Mechanica對結構進行有限元分析，得出其固有頻率，并根據靈敏度和優化計算結果對結構的可靠性進行驗證，改善原設計參數的不合理地方。

1 T型工裝設計及載荷約束定義

1.1 工裝設計要求

振動工裝的設計需具備2個輸入條件：1)待振產品的振動條件(包括振動量級、振動方向和振動時間)以及連接方式；2)實驗室中各種振動臺的推力大小、振動方向、臺面尺寸和安裝形式。振動工裝的設計過程需要綜合考慮多方面要求[2]。

1)材料要求。振動工裝要求材料剛度大、阻尼大，同時為降低振動臺的負載，選取材料的質量應盡量小，通常選用鋁等合金材料。

2)結構要求。工裝幾何結構應盡量采用整體對稱式結構，并盡量保證產品安裝后合成質心和振動臺振動中心重合，且合成質心應盡可能低。

3)連接要求。工裝與振動臺面應有良好的接觸剛度，以保證工裝連接可靠性。

4)頻率要求。工裝固有頻率應盡可能遠離試驗頻率范圍，以避免引起整體共振。

5)加工性。振動工裝應滿足良好的工藝要求，在滿足功能的前提下，減少復雜結構，綜合考慮加工周期和成本控制。

6)操作性。工裝的裝配、拆卸應盡量簡便，盡可能實現模塊化。

T型工裝作為振動工裝的重要結構形式，是多年工裝設計經驗總結出來的常用工裝形式。在振動試驗中，常用于整機產品的試驗，通過安裝孔的變換，可以在水平滑臺實現3個方向的振動試驗。然而T型工裝相比于其他工裝結構形式，垂向尺寸大，雖然通過加強筋的加固，但整體質心偏高；因此，針對T型工裝優化設計具有一定的典型意義。

1.2 幾何模型建立

根據某產品的技術要求，需要研制一款應用于該產品的整機振動試驗工裝。產品為整機箱體結構，兩側帶有安裝支腳，外形尺寸為254 mm×230 mm×125 mm，產品通過4個支腳安裝在相應位置。結構模型如圖1所示。

圖1 產品整機結構模型

工裝設計以Pro/E為模型設計軟件，以Pro/Mechanica為分析平臺，對工裝進行模態分析、靈敏度分析和優化設計[3-4]。在設計過程中，需要針對產品分技術條件要求，盡可能模擬整機實際裝配形式，充分考慮振動量級及方向性。最終確定工裝采用T型結構(見圖2)，待振產品通過立板安裝孔固定，同時立板背面焊接4個加強筋并增加穿桿螺栓，保證整體強度。由于該類型工裝方案質心較高，因此需要通過Mechanica進一步論證及優化。

圖2 建立幾何結構模型

1.3 工裝材料屬性定義

根據工裝設計要求，T型工裝采用2A12-H112鋁板材料。在Mechanica分析模塊下，定義模型材料密度ρ=2.7×103kg/m3，楊氏模量E=70 GPa，泊松比μ=0.33，抗拉強度Rm=40～50 MPa，伸長率A=0.5～0.7，折彎Y因子=0.5。

1.4 約束條件定義

工裝與振動臺通過8個M12內六角螺釘(GB/T 70—2000)固定聯接。選取工裝底部螺栓孔內壁作為銷釘約束，分別限制角度約束和軸約束以固定T型工裝。

為增加工裝整體強度，立板設置2個對稱穿桿螺栓，從立板頂端連接至振動臺面。為簡化計算，定義螺栓為銷釘聯接，并限制其角度約束和軸向約束。定義后的工裝約束條件如圖3所示。

圖3 定義約束及載荷

2 工裝結構模態分析及靈敏度分析

2.1 模態分析

模態分析是優化分析的基礎，其待求參數為固有頻率和振型，關鍵在于求解出一階固有頻率。產品隨機振動的頻率一般為20～2 000 Hz，如果一階固有頻率太低，則系統在振動過程中會產生共振，需要返回建模階段進行修改和優化模型；若固有頻率過高，則會使工裝結構質量無謂增加。

在Pro/Mechanica模塊下，系統將自動進行網格劃分，并可以實現建立模型到分析模型的無縫對接，因此建模后可直接進行標準模態分析。工裝一階～四階的振型圖如圖4所示。

通過分析，得到該工裝的各階固有頻率如圖5所示。由圖5可知，T型振動工裝的一階固有頻率為1 391.45 Hz，二階固有頻率為1 408.82 Hz，三階固有頻率為1 438.5 Hz，四階固有頻率為2 532.1 Hz，工裝固有頻率偏低。為提高振動工裝的可靠性，需合理確定結構尺寸參數，提高工裝固有頻率值。

2.2 全局靈敏度分析

全局靈敏度分析是確定參數對模型某一性能的整體影響情況，尤其對于參數變化可能引起整體性能突變，通過全局靈敏度分析就可以直觀地表征。選取模型1個或多個關注參數，設定各參數的變化范圍，并通過圖表形式輸出研究目標隨關注參數的變化情況。

設計參數作為模型的變量，可以直接或間接影響目標分析。通常可以選取尺寸參數或者模型特征作為關注參數。設定模型參數及其變化范圍見表1。

圖4 T型工裝一階～四階振型結果

圖5 模態分析各階固有頻率

表1設計參數表

尺寸名稱變量代號最小值/mm設計值/mm最大值/mm底板厚度δd356102030底板寬度Yd398100176200立板斜高Hd364200230300筋板斜高hd420202730

對設計參數d356、d398、d364和d420分別進行全局靈敏度分析，輸出各設計參數在變化范圍內對工裝固有頻率的影響曲線圖(見圖6)。

3 優化設計分析

優化設計是指通過指定研究目標、約束條件和設計參數等，在參數指定范圍內求出滿足研究目標和約束條件的最佳解決方案。在進行工裝優化設計中，應以滿足約束為前提，盡可能使工裝達到質量小、體積小、尺寸合理以及力學方面最大優化等目標條件。

3.1 最優化設計模型

通常，一般約束優化設計的數學模型可歸結為最優化設計問題，即求解一個n維變量(在約束范圍內)，使得目標函數值達到最小：

3.2 目標函數及優化結果

根據設計要求選取結構固有頻率為目標函數，同時在滿足質量要求(≤15 kg)的前提下將關注變量作為研究對象。

依據上述數學模型建立優化設計任務并運行，通過插值迭代計算得出一組使目標函數最優化且滿足約束條件的變量值(見表2)。通過優化設計，工裝1階固有頻率相較于之前設計從1 391.45 Hz提高為1 465.87 Hz，該頻率值已遠離振動試驗中工裝的主工作頻率，因此不會引起系統共振；同時整體工裝質量符合目標設定要求。優化結果報告及優化后結構振型頻率如圖7所示。

表2 設計變量優化結果

圖7 優化結果報告及優化后結構振型頻率

4 結語

本文對T型結構振動工裝進行了有限元分析及優化設計，在整體結構的約束條件下，優化了結構尺寸參數，提高了其使用可靠性，并最終形成了結構設計方案(見圖8)。

圖8 T型振動工裝結構最終優化方案

振動工裝的設計是綜合振動條件、振動臺性能和結構形式等多種因素的設計過程，應綜合考慮才能提高結構設計合理性。T型振動工裝結構形式簡單，工藝性和經濟性良好，操作簡便，對整機類試驗產品振動工裝設計有一定的指導意義。設計中應用Pro/Mechanica軟件對虛擬工裝進行結構有限元分析及優化設計，可以有效提高產品設計的效率，提高試驗驗證的可靠性，節約設計生產成本，對設計生產有著重要的參考借鑒意義。

[1] 鄭華山,陳順利.IF轉換器振動工裝的設計及力學仿真[J].航天制造技術，2013(4)：59-62.

[2] 孫軍艷．3向振動工裝的設計與分析[J]．起重運輸機械，2009(9)：73-95.

[3] 趙經文,王宏釬.結構有限元分析[M].2版.北京：科學出版社，2001.

[4] 林龍震.Pro/Mechanica Wildfire 3.0/4.0結構/熱力分析[M].北京:電子工業出版社，2008.

[5] 孫靖民,梁迎春.機械優化設計[M].4版.北京:機械工業出版社，2006.

責任編輯鄭練

StructureOptimizationDesignoftheTTypeTestFixturebasedonPro/Mechanica

WANG Zhen1, CHEN Shunli1, ZHAO Xueqin2

(1.Beijing Aerospace GuangHua Electronics Technologies Limited Corporation, Beijing 100854, China;2.Beijing Beiyi Innovation Vacuum Technology CO., LTD., Beijing 102600, China)

According to the development of products, the using environment is also changing, the testing ability of mechanical environmental is needing improving. In order to accomplish the mechanics experiment, we need to design a better fixture. This paper principally introduces the Finite Element Analysis, Sensitivity Analysis and Optimal Design for mechanical structure of the T type test fixture based on Pro/Mechanica software. Also it sets the first order natural frequency for the beam, its optimal mathematical models of quality margin restriction, and the optimal design of its dimension parameters.

Pro/E, Mechanica, T type, test fixture, optimization design

TH 122

：A

王鎮(1988-)，男，結構工程師，主要從事機械振動工裝及集成設備結構設計等方面的研究。

2014-07-04