三軸振動試驗系統(tǒng)工作平臺的諧振頻率分析

周興廣，田振強，王 冰，秦亞明，賀智國

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

三軸振動試驗系統(tǒng)工作平臺的諧振頻率分析

周興廣，田振強，王 冰，秦亞明，賀智國

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

為驗證并提高三軸振動試驗系統(tǒng)工作平臺的諧振頻率，進而提高系統(tǒng)的工作頻率范圍，文章采用有限元軟件對平臺在自由狀態(tài)下的模態(tài)進行仿真。比較仿真結(jié)果與三軸振動試驗結(jié)果可以看出，對角和對邊彎曲頻率偏差較小。該結(jié)果可為后續(xù)設(shè)計工作提供相對精確的計算指導(dǎo)。

三軸振動試驗系統(tǒng)；工作平臺；動態(tài)特性；諧振頻率；仿真分析

0 引言

航天器入軌前受到的力學激勵是多個方向同時作用的復(fù)雜振動環(huán)境。試驗表明，多軸振動試驗系統(tǒng)能夠更真實地模擬實際的動力學環(huán)境，在產(chǎn)品故障模式復(fù)現(xiàn)和模擬精度方面具有顯著的優(yōu)勢；一些已通過單軸振動測試的產(chǎn)品再進行多軸振動試驗，還會暴露出新的故障，而這些故障模式在實際使用過程中也出現(xiàn)過[1-2]。因此對于大多數(shù)航天器來說，多軸振動試驗有助于提高其使用可靠性[3-4]。

三軸振動試驗系統(tǒng)的工作平臺作為試件的載臺，可實現(xiàn)3個正交方向的合成運動。因此，在三軸振動試驗系統(tǒng)的設(shè)計中，平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真計算起著至關(guān)重要的作用，而系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標“最高使用頻率”與平臺的共振頻率有直接關(guān)系[5]。同時，三軸振動的測試結(jié)果能夠有效驗證仿真設(shè)計的正確性，為后續(xù)設(shè)計工作提供有效支撐[6]。

傳統(tǒng)工作平臺的模態(tài)分析基本是單向振動或多軸低頻振動，即主要針對一階軸向共振頻率進行仿真計算，無法驗證彎曲模態(tài)對系統(tǒng)特性的影響。本文首先對三軸振動試驗系統(tǒng)的工作平臺進行有限元建模和模態(tài)分析，仿真計算彎曲頻率；然后，將結(jié)果與三軸振動試驗結(jié)果進行對比分析，以驗證仿真結(jié)果的正確性，以期提升三軸振動試驗系統(tǒng)仿真計算對設(shè)計工作的指導(dǎo)作用。

1 工作平臺數(shù)值分析

1.1 工作平臺結(jié)構(gòu)

三軸振動試驗系統(tǒng)主要包括振動臺、工作平臺、解耦裝置、對中裝置、多維控制器、數(shù)據(jù)采集及測試子系統(tǒng)。

與單方向振動的擴展臺面不同，三軸振動試驗系統(tǒng)的工作平臺要將3個振動臺產(chǎn)生的能量同時傳遞給試件，因此工作平臺設(shè)計的基本要求有：1）能方便地將平臺同時與3個振動臺連接；2）平臺質(zhì)量要小，3個方向剛度都要大，自身固有頻率要盡量高；3）盡量采用鑄件加工，各方向阻尼特性好，不易發(fā)生局部共振[7-8]。

設(shè)計的工作平臺為外形尺寸600 mm×600 mm× 200 mm的筋板狀結(jié)構(gòu)（見圖1）。由于工作平臺同時要滿足三軸振動的工作頻率需要，這要求有較高的剛度和質(zhì)量比值，所以采用鎂合金整體鑄造加工工藝，底部采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)（見圖2）。平臺上表面用以安裝試件，側(cè)面用以連接2個水平正交振動臺的解耦裝置，下表面用以安裝垂直振動臺方向上的解耦裝置。

1.2 工作平臺模態(tài)分析

自由模態(tài)分析和施加約束的模態(tài)分析都是模態(tài)分析的重要內(nèi)容。自由模態(tài)是結(jié)構(gòu)自由振動的固有特性，只與結(jié)構(gòu)本身相關(guān)，而與外界激勵和約束條件無關(guān)。實際環(huán)境的結(jié)構(gòu)振動是其模態(tài)振型或某幾階或多階振型的疊加振動。在平臺的模態(tài)分析和測試中，由于約束載荷、連接剛度以及外界激勵很難量化，一般選擇自由模態(tài)分析。

仿真計算時，首先建立工作平臺的有限元分析模型。劃分網(wǎng)格時考慮平臺的結(jié)構(gòu)特征，選用8節(jié)點六面體單元類型。材料選擇彈性體鎂合金，彈性模量為4.5×1010Pa，泊松比為0.35，密度為1800 kg/m3，總質(zhì)量52 kg。圖3為工作平臺的有限元模型，共包含 12 243個單元。本文選用有限元分析軟件ANSYS對工作平臺進行模態(tài)分析，分析時采用Block Lanczos模型提取方法，且不施加邊界條件與約束。在劃分網(wǎng)格和模態(tài)分析過程中，由于上表面和側(cè)面的安裝螺紋孔、各筋板鑄造倒角和圓角的質(zhì)量很小，對模態(tài)影響很小，若在計算過程中對這些局部進行網(wǎng)格化則會占用大量計算時間，所以計算過程中不予考慮。

表1列出計算所得平臺各階共振頻率數(shù)值。由于處于無約束狀態(tài)，平臺前6階模態(tài)為無約束狀態(tài)下6個自由度的平動頻率，均為0 Hz；第7階模態(tài)為平臺對角一階彎曲頻率（見圖4），對角彎曲頻率為777.6 Hz；第8階模態(tài)為平臺對邊一階彎曲頻率（見圖5），對邊彎曲頻率為1 752.4 Hz，其余各階頻率均為各邊角的翹起或擾動，對系統(tǒng)影響不大，故本文不予考慮。

表1 工作平臺共振頻率Table 1 The resonant frequencies of the platform

2 試驗驗證

2.1 三軸振動試驗

本試驗的工作平臺連接3套5 t電動振動臺（見圖6），聯(lián)調(diào)時使用多維控制儀對各個振動臺及平臺空載狀態(tài)進行正弦掃頻試驗，以獲得系統(tǒng)的動態(tài)性能指標（主要是共振頻率）。圖7給出了傳感器安裝位置，1#加速度傳感器位于平臺幾何中心，9#傳感器位于對角線上，10#傳感器位于中心線外邊緣端。

2.2 試驗結(jié)果分析

正弦掃頻試驗后，采用多輸出控制儀內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)分析軟件可計算得到各個通道上傳感器響應(yīng)與驅(qū)動信號的比值。圖8、圖9分別給出了 9#與10#傳感器的響應(yīng)與驅(qū)動信號的比值，可以看出，雖然傳感器位于臺面不同位置處，對于同一頻率響應(yīng)幅值不盡相同，但是 9#與 10#傳感器分別在720 Hz與1 872.5 Hz處都有較大的波峰，結(jié)合工程實施經(jīng)驗，這2個頻率為工作臺面的共振頻率。

將數(shù)值模擬所得的模態(tài)頻率與試驗測試所得臺面的固有頻率進行對比，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，試驗測得工作平臺第1階固有頻率為720 Hz，而模態(tài)分析得到的固有頻率為777.6 Hz，相差57.6 Hz，相對偏差為7.4%，振型為對角彎曲；同理，試驗測得工作平臺第2階固有頻率為1 872.5 Hz，模態(tài)分析固有頻率為1 752.4 Hz，相差120.1 Hz，相對偏差為6.4%，振型為對邊彎曲。分析偏差的原因，是因為仿真計算頻率采用自由模態(tài)方法，而試驗測量頻率是在有約束條件的振動環(huán)境下測得的。

表2 共振頻率數(shù)據(jù)對比Table 2 Resonance frequency comparison of analysis and test results

3 結(jié)論

本文對三軸振動試驗系統(tǒng)的工作平臺進行了有限元建模和模態(tài)分析，又對該結(jié)構(gòu)進行三軸振動試驗驗證，得到以下結(jié)論：

1）對工作臺面進行有限元仿真自由模態(tài)分析，能夠得到臺面的對角和對邊的彎曲頻率，進而預(yù)測系統(tǒng)的工作頻率范圍，并驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性和有效性；

2）工作臺面在模態(tài)分析過程中，臺面的螺紋孔、倒角和圓角對模態(tài)頻率影響很小，仿真計算過程中可以不予考慮；

3）工作平臺除平動頻率外，第1階為對角彎曲頻率，第2階為對邊彎曲頻率，其余各階均為對稱振型或邊角局部振型，對測試結(jié)果無明顯影響。

研究結(jié)果表明，三軸振動試驗系統(tǒng)工作平臺的仿真計算對系統(tǒng)關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)有很好的預(yù)測作用，能夠指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計。

（References）

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[7]王東升, 劉青林, 張志旭.多軸振動臺臺面頻率優(yōu)化[J].航天器環(huán)境工程, 2008, 25(4): 351-354 WANG D S, LIU Q L, ZHANG Z X.The frequency-optimization of the multi-axes vibration generator’s table-board[J].Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(4): 351-354

[8]黃舟, 黃海.六自由度振動臺臺體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].航天器環(huán)境工程, 2015, 32(5): 560-565 HUANG Z, HUANG H.Structure optimization design of 6-DOF shaker’s table[J].Spacecraft Environment Engineering, 2015, 32(5): 560-565

（編輯：許京媛）

Resonant frequency analysis on the platform of tri-axial vibration system

ZHOU Xingguang, TIAN Zhenqiang, WANG Bing, QIN Yaming, HE Zhiguo
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

To verify and increase the resonant frequency of the platform of a tri-axial vibration test system, and furthermore, to extend the frequency range of the system, the mode of the work table under the free state is simulated using the FEM software, and the simulation results and the tri-axial test results are compared.It is shown that the differences of the bending frequency of the opposite angles or sides are less than 10%.And the result can provide a technical support for the future design.

tri-axial vibration test system; platform; dynamic characteristics; resonant frequency; simulation analysis

V416.8; TB115

：A

： 1673-1379(2017)01-0035-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.006

周興廣 (1980—)，男，碩士學位，高級工程師，研究方向為強度、振動與可靠性。E-mail: zhouxg2008@126.com。

2016-08-15；

：2017-01-17

中國航天科技集團公司科技創(chuàng)新研發(fā)項目“大推力多軸電動振動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”

周興廣，田振強，王冰，等.三軸振動試驗系統(tǒng)工作平臺的諧振頻率分析[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(1): 35-39

ZHOU X G, TIAN Z Q, WANG B, et al.Resonant frequency analysis on the platform of tri-axial vibration system[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 35-39