連接器及組件夾具隨機(jī)振動仿真設(shè)計

0引言

連接器及組件廣泛應(yīng)用于航空、航天等各個領(lǐng)域,是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間聯(lián)系的紐帶,在工作過程中常常會經(jīng)受各種振動,這就要求其中的連接器在振動條件下均能正常工作,特別是不能發(fā)生瞬斷,因為連接器的瞬斷有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效^[1]。

連接器及組件在實際進(jìn)行隨機(jī)振動試驗時,需要通過夾具固定在振動臺上。夾具作為振動臺與試驗件的連接部件,其力學(xué)傳遞特性對振動試驗至關(guān)重要。如果夾具設(shè)計不合理,可能使試驗件受到的振動環(huán)境失真,造成“欠試驗”或“過試驗”,導(dǎo)致對真實結(jié)果的誤判。因此,夾具的設(shè)計是否合理對于振動試驗至關(guān)重要^[2]。

1 動力學(xué)模型

隨機(jī)振動是指結(jié)構(gòu)在不確定性載荷作用下的響應(yīng)。多自由度系統(tǒng)在隨機(jī)載荷作用下的動力學(xué)方程如下:

式中: [M]、[C]、[K]分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼

矩陣和剛度矩陣;X“、X‘、X分別為單元節(jié)點(diǎn)的加速度、速度、位移;F(t)為激勵。

夾具的模態(tài)分析中通常不考慮阻尼影響,且激勵為0,因此動力學(xué)方程可以轉(zhuǎn)化為特性方程:

式中:w_i為振動頻率;φ_i為模態(tài),即與固有頻率對應(yīng)的振型。

2夾具設(shè)計與仿真優(yōu)化

2.1 夾具設(shè)計要求

夾具設(shè)計需滿足以下基本原則:第一,夾具的固有頻率應(yīng)盡可能高,夾具的1階固有頻率應(yīng)大于試驗件1階固有頻率的3倍以上;第二,夾具與試驗件各安裝接口處響應(yīng)要一致,以確保振動輸入的均勻性;第三,盡量使試驗件與夾具組裝后的重心低,從而保證夾具的穩(wěn)定性和可靠性;第四,具有穩(wěn)定的機(jī)械性能;第五,加工的簡易性與經(jīng)濟(jì)性。

2.2 夾具材料選擇

目前比較常用的夾具材料有鋁材、鋼材、鎂材等,通常夾具固有頻率越高,其性能越好。夾具固有頻率計算公式如下:

式中:?為固有頻率;k為夾具剛度;m為夾具質(zhì)量。

由式(3)可知,為提高固有頻率?應(yīng)盡可能減輕夾具質(zhì)量m,同時增大夾具剛度k。

綜合考慮材料特性和應(yīng)用環(huán)境,將鋁合金6061T6選為夾具制作材料,螺釘?shù)染o固件材料為316L不銹鋼。材料主要物理參數(shù)如表1所示。

2.3 夾具初步設(shè)計及仿真分析

由于連接器及組件一般需要進(jìn)行三個方向的振動試驗,同時考慮夾具加工簡易性與經(jīng)濟(jì)性要求,初步設(shè)計夾具如圖1所示。夾具呈L型結(jié)構(gòu),底部通過緊固螺釘與振動臺鎖緊,保證夾具與振動臺之間進(jìn)行有效穩(wěn)定的連接,豎直方向在安裝高度開四顆螺釘孔,用于連接試驗件。

2.3.1模態(tài)分析

在進(jìn)行隨機(jī)振動分析前,需要進(jìn)行模態(tài)分析。通過仿真,夾具前3階固有頻率分別為482.08、834.49、998.94 Hz。第1階振型為豎直向水平共振,位置偏高,是由于重心偏高;第2階振型為底部垂直向共振;第3階振型為豎直向水平扭轉(zhuǎn)共振,如圖2所示。

2.3.2隨機(jī)振動分析

隨機(jī)振動試驗量級如圖3所示,加速度均方根值為9.9g。設(shè)置整體阻尼比為5%,取敏感方向垂直方向進(jìn)行隨機(jī)振動仿真。

通過仿真,得出垂直方向加速度均方根響應(yīng)及3σ應(yīng)力分布如圖4所示,從圖中可以看出,四顆螺釘孔處加速度均方根值最大約為154 m/s²,較輸入值99m/s²約有1.5倍放大;最大應(yīng)力值約為9.5 Mpa,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,材料強(qiáng)度沒有問題。

綜合夾具的模態(tài)和隨機(jī)振動仿真,得出初步設(shè)計的夾具固有頻率明顯偏低,螺釘孔位置加速度均方根值有1.5倍放大,存在“過試驗”,需對該夾具進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 夾具改進(jìn)設(shè)計及仿真分析

由于初步設(shè)計的夾具存在“過試驗”,因此對原夾具進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)分析,原夾具不合格主要是其重心偏高造成的。為降低夾具的重心,將夾具改為倒T型結(jié)構(gòu),并把底部挖空位置填上,增強(qiáng)夾具與振動臺之間的穩(wěn)定性。螺釘孔另一側(cè)及夾具外側(cè)加上加強(qiáng)筋,不僅能降低夾具的重心,還能大幅提高夾具的剛度。改進(jìn)后夾具如圖5所示。

2.4.1模態(tài)分析

模態(tài)分析邊界條件設(shè)置與前面保持一致。通過仿真,夾具前3階固有頻率分別為2480.8、3072.6、5 017.5 Hz,基頻由原來的482.08 Hz提高到2 480.8 Hz,改進(jìn)效果比較明顯。第1階振型為豎直向水平共振,第2階振型為底部垂直向共振,第3階振型為豎直向水平扭轉(zhuǎn)共振,如圖6所示。

2.4.2隨機(jī)振動分析

改進(jìn)夾具隨機(jī)振動分析,量級、設(shè)置與前面保持一致。通過仿真,得出垂直方向加速度均方根響應(yīng)及3σ應(yīng)力分布如圖7所示,從圖中可以看出,四顆螺釘處加速度均方根值最大約為104m/s²,較輸入值99m/s²基本沒有放大;最大應(yīng)力值約為1.7 Mpa,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,材料強(qiáng)度沒有問題。

由于要求夾具的1階固有頻率應(yīng)大于試驗件1階固有頻率的3倍以上,現(xiàn)單獨(dú)對試驗件進(jìn)行模態(tài)固有頻率分析,邊界條件為固定試驗件對應(yīng)的四顆螺釘,得到試驗件前10階固有頻率如圖8所示,可以看出試 驗件1階頻率為735.87 Hz。

綜合改進(jìn)后夾具的模態(tài)和隨機(jī)振動仿真,得出改進(jìn)后夾具的1階頻率2 480.8 Hz大于試驗件1階頻率735.87 Hz的3倍以上,且四顆螺釘處加速度均方根值最大約為104 m/s²,較輸入值99 m/s²基本沒有放大,不存在“欠試驗”或“過試驗”,改進(jìn)后夾具滿足設(shè)計要求。

3連接器及組件仿真與試驗

連接器及組件安裝在夾具上進(jìn)行隨機(jī)振動仿真,主要分析J599連接器的加速度均方根值大小,判斷連接器是否發(fā)生瞬斷,邊界條件設(shè)置、隨機(jī)振動載荷與前面分析保持一致。通過仿真,得到連接器及組件加速度均方根值分布如圖9所示,四顆螺釘處加速度均方根值約為105 m/s²,與前面改進(jìn)夾具分析基本一致,說明此夾具能夠保持較好的穩(wěn)定性與可靠性。J599連接器上加速度均方根值最大約為147 m/s2,小于連接器的許用值290 m/s2,連接器不會發(fā)生瞬斷。

對改進(jìn)夾具進(jìn)行加工,安裝上試驗件后在振動臺上進(jìn)行隨機(jī)振動試驗,如圖10所示。在振動臺與夾具連接處、夾具與試驗件連接處、J599連接器上同時安置3個監(jiān)測點(diǎn),得到各個位置處的加速度均方根值如表2所示。

從表2可以看出,振動臺與夾具連接處、夾具與試驗件連接處仿真與試驗值基本一致。J599連接器上仿真值較試驗值偏小,原因是仿真模型的簡化及連接器尾部線纜產(chǎn)生的誤差。仿真誤差在5%以內(nèi),可以滿足設(shè)計需求。

4結(jié)論

本文先對初步設(shè)計的連接器及組件夾具在ANSYS仿真平臺上進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動仿真,得出初步設(shè)計的夾具基頻較低且四個螺釘孔安裝位置加速度均方根值有1.5倍放大,不滿足設(shè)計需求。通過更改結(jié)構(gòu)、降低重心、增加加強(qiáng)筋等措施對夾具進(jìn)行改進(jìn),并對改進(jìn)后的夾具再次進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果顯示,改進(jìn)后的夾具設(shè)計合理,實現(xiàn)了其基頻大于試驗件3倍的目標(biāo),且四個螺釘孔安裝位置加速度均方根值基本沒有放大。最后對連接器及組件進(jìn)行了仿真與試驗對比,試驗結(jié)果驗證了仿真的正確性。應(yīng)用ANSYS對連接器及組件的夾具進(jìn)行模態(tài)及隨機(jī)振動仿真,可以有效分析夾具設(shè)計的合理性，并能在設(shè)計不合理時進(jìn)行改進(jìn),減少夾具加工與試驗時間,此方法對其他產(chǎn)品的夾具設(shè)計也有較高的參考價值。

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2024年第19期第9期