魚雷艙段振動夾具動態特性仿真分析

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

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魚雷艙段振動夾具動態特性仿真分析

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 張志民, 單志雄

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

夾具作為魚雷艙段振動試驗系統中不可或缺的連接部件, 其動態特性直接影響振動試驗的測試結果。文中針對3種魚雷艙段振動試驗夾具設計方案, 開展振動夾具動態特性的理論分析和有限元仿真, 通過數值計算其振動固有頻率、振型和振動響應等, 對比分析不同振動夾具設計方案的動態性能優劣，最終確定滿足魚雷艙段振動試驗傳遞性要求的夾具。并得出以下結論: 1) 夾具的剛度、固有頻率及阻尼對其振動傳遞特性的影響最為突出; 2) 整體鑄造成型的夾具比焊接成型和螺栓連接結構傳遞特性更好; 3) 基于動態特性設計的夾具能更好地保證振動能量不失真的傳遞。

魚雷艙段; 振動試驗; 夾具; 動態特性

0 引言

振動試驗作為評價魚雷力學環境適應能力的最主要手段之一, 不僅能夠檢驗魚雷結構在實際使用過程中能否滿足要求, 同時暴露魚雷的設計缺陷, 為魚雷結構優化提供數據支持。振動夾具的功能是將振動臺的運動和能量傳遞給試驗件, 其動態特性直接影響著振動試驗結果。振動試驗中希望夾具傳遞到試驗件的振動能量不失真, 夾具的結構模態參數(固有頻率、固有振型、模態質量、模態剛度、阻尼比)是系統振動特性的重要表征, 是改善結構動態特性的重要參數[1]。如果夾具設計不合適, 就可能出現“欠試驗”或“過試驗”。因此, 開展振動試驗夾具動態特性分析研究具有重要意義。

傳統夾具設計主要采用經驗設計法和鄧柯萊法, 這2種方法設計出的夾具很難確保將振動臺的運動不失真地傳遞給試件[2]。目前魚雷振動夾具設計大多基于經驗設計法, 主要考慮的是夾具與振動臺的接口設計, 當夾具制造出來后通過試驗驗證夾具設計的合理性, 這種方法設計的夾具往往造成大量的浪費, 而基于動態特性分析的振動夾具設計還未得到有效應用。

隨著現代結構動態設計方法的發展, 基于有限元分析的夾具設計將是一個快速、高效的設計方法[3]。當前大多有關夾具的設計仿真分析主要是分析夾具的固有頻率, 夾具傳遞特性則采用試驗的方法來分析[4-7], 而基于有限元的夾具傳遞特性仿真分析研究較少。文中依據魚雷艙段振動試驗要求, 基于模態分析理論和振動傳遞理論, 通過有限元建模與仿真對比分析3種魚雷艙段振動試驗夾具動態特性, 確定滿足振動試驗要求的夾具結構。

1 夾具模態分析及振動傳遞特性

1.1 模態分析

夾具的振動特性可以用模態來描述, 研究其振動特性時首先進行模態分析, 即通過計算或試驗的方法, 確定用來描述結構系統特性的固有頻率、阻尼比和振型等模態參數[1,8-9]。

采用有限元分析法, 將振動夾具這樣一個彈性連續體的振動問題, 離散為一個以有限的節點位移為廣義坐標的多自由度系統的振動問題。由此, 振動夾具系統的運動微分方程可以表示為[10]

式(1)的解可以假設為如下形式

將坐標變換式(7)代入式(1), 并考慮特征矢量的正交性, 得到一組解耦方程

代入初始條件, 求解可得夾具振動規律為

1.2 傳遞特性

其傳遞率(動力放大系數)為

2 夾具振動特性分析

2.1 振動夾具一般要求

振動夾具的1階固有頻率應高于試驗最高頻率, 對于大型夾具, 其1階固有頻率應高于參試產品1階固有頻率的3~5倍[12-14], 才能有效地防止夾具與試件的共振耦合。此外, 夾具和試驗件的合成重心盡可能和振動臺激振器軸線一致, 并且重心要盡量靠近激振器[15]。

夾具的傳遞特性和試驗件的質量大小相關, 對于質量在25~250 kg的機電設備, 其夾具的傳遞特性應滿足表1要求[16]。

表1 夾具動力學特性要求

2.2 振動夾具模態分析

文中針對裝夾接口適合魚雷艙段(1階固有頻率300 Hz左右, 試驗頻率10~2000 Hz)的振動試驗要求的3種夾具方案, 開展夾具模態分析, 對比分析不同結構夾具的模態頻率。文中3種夾具的設計異同點(材料、結構、質量)對比如表2所示。

表2 Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#夾具異同點

方案1: Ⅰ#夾具, 由壓環、支座、底板3部分組成, 如圖2所示。支座由焊接成型, 壓環與支座、支座與底板之間通過螺栓連接, 模態分析結果顯示此夾具的1階固有頻率為666.1 Hz, 對應振型圖如圖3;向1階固有頻率為1 035.2 Hz, 對應振型圖如圖4。

由振型圖3可以看出, Ⅰ#夾具在第1階固有頻率時已發生扭轉變形, 這是夾具剛度差的表現, 且夾具1階固有頻率不滿足高于試件固有頻率的3~5倍要求, 無法滿足艙段振動試驗需要。

方案2: Ⅱ#夾具為在Ⅰ#夾具基礎上增加支座剛度, 降低其重心, 兩支座與底板采用焊接成型, 結構如圖5所示。

方案3: Ⅲ#夾具為在Ⅱ#夾具基礎上, 在支座兩端增加肋板以提高其局部剛度, 采用整體鑄造成型, 結構如圖6所示。

Ⅱ#、Ⅲ#夾具有限元分析網格劃分以六面體單元為主, 局部采用五面體單元, 網格尺寸7 mm, 為了模擬夾具實際使用環境, 底板施加全約束, 在Abaqus軟件中對夾具進行模態分析, 夾具Ⅱ#、Ⅲ#的1階振型圖如圖7、圖8所示。表3為夾具Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#的1階固有頻率。

圖3 Ⅰ#夾具1階振型圖

圖4 Ⅰ#夾具Y向1階振型圖

圖5 Ⅱ#夾具結構示意圖

圖6 Ⅲ#夾具結構示意圖

圖7 Ⅱ#夾具1階振型圖

表3 Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#夾具1階固有頻率

2.3 振動夾具隨機振動仿真

為了進一步確定3種夾具的優劣, 在模態分析的基礎上, 文中開展夾具隨機振動仿真分析。

夾具隨機振動試驗施加的外部激勵條件如圖9所示, 隨機振動試驗方向如圖10中向所示。

隨機振動仿真分析載荷輸入為加速度功率譜密度(power spectral density, PSD)曲線, 采用BASE MOTION基礎約束加載, 計算頻率范圍為1~2 000 Hz, 模態阻尼取0.02。為了對比不同結構夾具對傳遞特性的影響, 分別在3種夾具上選取與試件接觸部位及遠離試件部位作為監測點(如圖11所示), 分析夾具向振動傳遞特性。

通過隨機振動仿真得到3種夾具上監測點的響應曲線如圖12~圖15所示, 響應點總均方根值及傳遞率見表4。

圖12 Ⅰ#夾具A、C點響應PSD曲線

圖13 Ⅰ#夾具B點響應PSD曲線

圖14 Ⅱ#夾具3點響應PSD曲線

表4 夾具響應總均方根值和傳遞率

3 仿真結果與分析

分析圖12~圖15, 表3及表4可得如下結論。

1) Ⅰ#夾具在其向1階固有頻率(1 035.2 Hz)附近出現峰值, A、C 2點響應趨勢一致, 傳遞存在局部放大; B點處發生共振, 傳遞放大嚴重, 容易發生過試驗, 由于夾具各點間響應差別較大, 此夾具設計不滿足振動試驗要求。

2) Ⅱ#夾具的1階固有頻率與Ⅰ#夾具相比提高到1 745.4 Hz, 滿足夾具1階固有頻率高于試驗件1階固有頻率的3~5倍要求, 但在試驗頻率范圍內, 共振仍無法避免。Ⅱ#夾具中A、C 2點響應曲線基本一致, 與輸入激勵差別較小, 放大系數接近1, 傳遞特性較好; B點傳遞從500 Hz開始逐步放大, 放大系數為3.54, 這是由于夾具局部剛度較差導致, 且夾具各點間響應不一致, 因此, Ⅱ#夾具也不滿足振動試驗要求。

3) 增加夾具的局部剛度后, Ⅲ#夾具的1階固有頻率提高到2 457.5 Hz, 滿足夾具1階固有頻率高于試驗件1階固有頻率的3~5倍要求, 且高于試驗最高頻率2 000 Hz。Ⅲ#夾具中A、B、C 3點響應在試驗頻率(10~2 000 Hz)內與輸入激勵基本一致, 放大系數接近1, 傳遞特性好, 與Ⅱ#相比, Ⅲ#夾具B點處傳遞得到很好的改善, 無局部放大情況, 且其傳遞特性滿足表1要求, 因此, Ⅲ#夾具可用于艙段隨機振動試驗。

由分析結果可得, 降低夾具重心位置、增加剛度能夠提高夾具的固有頻率; 對于魚雷艙段試驗夾具, 采用相同結構夾具時, 夾具剛度越大, 固有頻率越高, 傳遞特性越好。

4 結束語

文中從魚雷艙段振動試驗要求出發, 通過理論分析和有限元仿真, 基于3種振動夾具結構方案, 對比分析夾具的動態特性, 最終確定滿足魚雷艙段振動試驗傳遞性要求的夾具。從文中分析得到以下結論:

1) 夾具的剛度、固有頻率及阻尼對其振動傳遞特性的影響最為突出。

2) 整體鑄造成型的夾具比焊接成型和螺栓連接結構傳遞特性更好。

3) 基于動態特性設計的夾具能更好地保證振動能量不失真的傳遞。

[1] 梁躍, 何長富, 彭博．魚雷熱動力發動機機體振動模態分析[J].魚雷技術, 2005, 13(4): 17-20．Liang Yue, He Chang-fu, Peng Bo.Structural Vibration Modal Analysis of Torpedo Thermal Power Engine[J].Torpedo Technology, 2005, 13(4): 17-20．

[2] 賁少愚．振動試驗夾具設計[J].電子機械工程, 2001(4): 41-44.

[3] 鄭術力, 常少莉．振動試驗夾具設計研究[J].電子產品可靠性與環境試驗, 2006, 24(5): 14-17.Zheng Shu-li, Chang Shao-li.Design of Fixture for Vibration Test[J].Electronic Product Reliability and Envi-ronmental Testing, 2006, 24(5): 14-17.

[4] 許江文, 武艷波, 馬洪斌．振動試驗夾具設計及模態分析機械研究與應用[J].機械研究與應用, 2013, 1(26): 3-4.Xu Jiang-wen, Wu Yan-bo, Ma Hong-bin.Vibration Test Fixture Design and Modal Analysis[J].Mechanical Rese-arch & Application, 2013, 1(26): 3-4.

[5] 于韶明, 衛國, 楊峰, 等.振動試驗夾具設計與實踐[J].裝備環境工程, 2014, 2(11): 81-86.Yu Shao-ming, Wei Guo, Yang Feng, et al.Fixture Design and Practice for Vibration Test[J].Equipment Environ-men-tal Engineering, 2014, 2(11): 81-86.

[6] 孫忠濤, 車英.振動試驗臺夾具設計及頻率響應特性研究[J].長春理工大學學報, 2010, 33(2): 61-67.Sun Zhong-tao, Che Ying.Research on Design of Vibra-tion Fixture and Its Frequency Response Characteristic[J].Journal of Changchun University of Science and Techno-logy(Natural Science Edition), 2010, 33(2): 61-67.

[7] 王東升, 任萬發, 劉青林, 等.振動試驗夾具共振頻率設計要求研究[J]．航天器環境工程, 2014, 31(1): 37-41.Wang Dong-sheng, Ren Wan-fa, Liu Qing-lin, et al.The Design Requirements of the Resonance Frequency of Vib-ra-tion Test Fixtures[J].Spacecraft Environment Enginee-ring, 2014, 31(1): 37-41.

[8] 姚熊亮．結構動力學[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2007．

[9] 曹銀萍, 石秀華．基于 ANSYS 的魚雷有限元建模與模態分析[J]．彈箭與制導學報, 2009, 29(3): 289-292．Cao Yin-ping, Shi Xiu-hua.Finite Element Modeling and Modal Analysis of Torpedo Based on ANSYS[J].Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2009, 29(3): 289-292．

[10] 顧培英, 鄧昌．結構模態分析及其損傷診斷[M].南京:東南大學出版社, 2008.

[11] Singiresu S Rao.機械振動[M].第5版.北京: 清華大學出版社, 2016.

[12] 王涌泉, 雷平森, 馮睿, 等.力學環境試驗技術[M].西安: 西北工業大學出版社, 2003.

[13] 周桐, 王雄祥, 李健, 等.柔性夾具動態特性對隨機振動試驗的影響[J].機械科學與技術, 2005, 24(12): 1482-1486.Zhou Tong, Wang Xiong-xiang, Li Jian, et al.Effect of Dynamic Character of Flexible Fixture to Response of Stochastic Vibration Experiment[J].Mechanical Science and Technology, 2005, 24(12): 1482-1486.

[14] 鐘繼根, 王東升, 任萬發, 等．某導彈發動機振動試驗夾具設計[J].振動工程學報, 2004, 17(z2): 728-730.Zhong Ji-gen, Wang Dong-sheng, Ren Wan-fa, et al.Design of Vibration Test Fixture for a Missile Engine[J].Journal of Vibration Engineering, 2004, 17(z2): 728-730.

[15] 王忠, 陳暉, 張錚．環境試驗[M]．北京: 電子工業出版社, 2015.

[16] Stentson K A, Palma G E.Inversion of First Perturbation Theory and Its Application to Structural Design[J].AIAA Journal, 1976, 14(4): 454-460.

Simulation Analysis on Dynamic Characteristics of Fixture for Torpedo Cabin Vibration Test

WANG Hong-rui, CAO Xiao-juan, YIN Shao-ping, ZHANG Zhi-min, SHAN Zhi-xiong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The dynamic characteristics of the fixture directly affect the measurement in the vibration test of torpedo cabin.In this paper, theoretical analysis and numerical calculations of dynamic characteristics are carried out for three design schemes of fixture for torpedo cabin vibration test.The natural frequencies, vibration modes and vibration responses of the three fixture designs are calculated numerically, their dynamic performances are compared and analyzed to finally determine the right fixture, which can meet the transitivity requirement of vibration test of torpedo cabin.Conclusions are drawn as follows: 1) the stiffness, natural frequency and damping of these fixtures have the most prominent influences on their vibration transfer characteristics; 2) the monoblock cast fixture is better in the transitivity than the welded or the bolt-connected one; 3) the fixture designed on the basis of dynamic characteristics can better ensure the transmission of vibration energy without distortion.

torpedo cabin; vibration test; fixture; dynamic characteristic

TJ630.1; O329

A

2096-3920(2018)06-0549-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.007

2018-05-18;

2018-06-13.

王紅瑞(1985-), 男, 碩士, 主要研究方向為武器系統與運用工程.

王紅瑞, 曹小娟, 尹韶平, 等.魚雷艙段振動夾具動態特性仿真分析[J].水下無人系統學報, 2018, 26(6): 549-554.

(責任編輯: 許 妍)