某試驗設備振動聯接器結構優化設計

周富,李川

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.海軍裝備部駐廣州地區軍事代表局，重慶 401121）

振動聯接器作為振動臺與被試件的連接和能量傳遞的部件，在振動試驗中發揮著極為重要的作用，試驗成功與否，試驗結果的可信程度，與聯接器設計、制作及安裝使用水平息息相關。設計不合格的振動聯接器容易造成振動試驗過程出現“共振”、“過振動”或“欠振動”，直接影響到振動試驗結果的準確性以及振動系統的安全可靠運行，導致無法對試驗結果進行準確評價。基于仿真軟件對振動聯接器結構進行有限元模態分析與改進，可使結構避免共振或按特定頻率進行振動，同時也可了解結構對不同類型動力荷載的響應，有效提高振動聯接器的設計品質和振動試驗結果的準確性。本文以某綜合試驗裝置的振動聯接器為研究對象，基于CATIA三維軟件對振動聯接器結構進行設計，并結合ANSYS Workbench模態仿真分析及試驗驗證情況，對結構進行優化改進，從而得到滿足設計要求的振動聯接器。

1 振動聯接器設計基本要求

（1）振動聯接器固有頻率在試驗要求頻率（5～2000Hz）范圍外，即振動試驗中振動聯接器本身無共振現象。

（2）振動聯接器應能方便地與振動臺及試驗臺連接和拆卸。

（3）在滿足剛度、頻率、位移等約束條件的前提下，振動聯接器重量應盡可能輕。

2 振動聯接器初期結構

圖1是振動聯接器初期結構示意圖。根據試驗裝置試驗工況需要，該振動聯接器由鋁合金底座、310S不銹鋼框架和頂板三部分組成。各部分通過M16螺栓連接，試驗件置于頂板上表面，通過螺栓與頂板進行緊固相連。振動聯接器通過底座區域的八個支撐結構與振動臺連接，并采用螺栓將支撐結構法蘭面與振動臺連接緊固。振動聯接器的質量為252kg。

圖1 振動聯接器初期結構示意圖

3 振動聯接器的模態分析

3．1 模態分析理論

模態分析實質是計算結構振動方程的特征值和特征矢量，其結構動力學運動微分方程為：

式中，[M]是結構質量矩陣；[C]是結構阻尼矩陣；是結構剛度矩陣；是加速度矢量；是速度矢量；是位移矢量；是隨時間變化的載荷函數。

當結構不受外力、不計阻尼時，系統運微分方程為：

當發生諧振動時，則方程為：

通過對式（3）求解，可以得到結構的固有頻率iω和振型Φi。

3．2 振動聯接器有限元模型建立

采用CATIA軟件進行振動聯接器結構三維建模，然后在ANSYS Workbench有限元分析軟件前處理模塊轉化生成實體模型，進行網格劃分（圖2）。振動聯接器底座選用鋁合金材料，其余選用不銹鋼材料（表1）。

圖2 振動聯接器初期結構網格劃分

表1 振動聯接器所用材料的主要物理特性

振動夾具上各部分之間的連接螺栓連接采用全約束，對8個支撐底部端面施加固定約束。

3．3 仿真分析

應用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的模態分析對模型分析，得到前六階固有頻率（表2）、振型及相應位移。由仿真結果可以看到，前六階固有頻率均在（5～2000Hz）范圍內。說明振動聯接器會產生共振，振動頻率傳遞會失真（圖3）。

表2 振動聯接器前六階固有頻率

圖3 振動聯接器初始結構振動頻率下的振型

4 試驗驗證

為了驗證仿真結果的準確性，采用額定推力98000N的振動臺對振動聯接器進行正弦掃頻試驗，試驗狀態如圖4所示，在振動臺上安裝加速度傳感器控制試驗譜輸入，在振動聯接器頂部中心安裝另一個加速度傳感器監控系統反饋輸出。

圖4 振動聯接器正弦掃頻試驗

試驗過程中，213Hz和453Hz左右振動臺出現了明顯共振，200Hz左右時反饋的加速度信號如圖5所示。從圖中可以看到，在213.73Hz時，反饋加速度為36.0804g，453.475Hz時，反饋加速度是11.8879g，遠大于其他頻率下的反饋加速度，與仿真分析的共振頻率接近，說明模態仿真結構具有較高的準確度。

圖5 振動聯接器正弦掃頻試驗頻譜

5 振動聯接器的結構優化改進

通過仿真分析及振動試驗驗證可知，振動聯接器的固有頻率過低，出現了共振現象，傳遞振動臺的能量有偏差，不能準確的為被試品提供標準所規定的振動條件。因此，需要對振動聯接器進行優化改進。通過對仿真分析中共振頻率點振型進行分析，發現頂板及框架區域是整體中的薄弱環節，對振動聯接器結構方案進行了優化改進，改進后的振動聯接器質量為158kg（圖6）。

圖6 改進后的振動聯接器模型

采用ANSYS Workbench有限元分析軟件對改進后的振動聯接器結構進行模態分析，結果顯示結構第一階固有頻率為2018.8Hz，相比改進前有了很大的提升，滿足了頻率（5～2000Hz）范圍外的試驗要求（圖7）。

圖7 改進后的振動聯接器第一階模態振型

6 結語

本文針對某試驗裝置振動聯接器進行了模態分析、試驗驗證及結構優化改進，通過分析優化，明顯提高了振動聯接器的固有頻率，避免因固有頻率過低而導致的“共振”、“過振動”及“欠振動”現象。利用CATIA三維建模軟件和ANSYS Workbench有限元分析軟件的結合的聯合設計方法，極大的提高了設計品質，為快速解決實際問題提供了有效手段。