航天产品振动工装设计

初永志，陆振玉，刘昌儒，韩哈斯敖其尔

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

在航天产品发射升空过程中，由于发动机工作、发动机级间分离与POGO效应等原因，航天产品会发生的不可避免的振动[1-2]。因此航天产品发射升空前，都需要进行振动试验，通过地面的振动试验考核航天产品是否能经受发射时的振动[3-4]。各种型号的航天产品在振动试验过程中都需要一定的工装进行辅助，以确保振动试验正常开展。振动工装为产品与振动台间连接件，是否能将振动台输出的力与位移尽量无损地传递到产品上，是振动试验能否正常开展的关键因素之一。现有的振动试验工装，大多通过计算机辅助设计（CAD/CAE）进行设计与分析。有的先用Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application（CATIA）软件进行建模，再利用MSC.Patran/MSC.Nastran软件进行力学分析[5]；有的先用Pro/Engineer软件进行建模，再利用ANSYS Workbench软件进行力学分析[6-7]。UG作为常用结构设计软件，也可进行振动试验工装建模。本文根据某型航天产品需求，设计了一个振动工装，并先用UG软件进行了建模，再利用Hypermesh和MSC.Patran/Nastran软件进行有限元分析，初步检验振动工装的动态刚度与结构强度。

1 工装设计

振动试验工装为振动试验台与航天产品件连接件，因此其结构尺寸应符合两者的接口尺寸。此外，还需要振动工装的固有频率fn尽量增大，以满足试验需求，如式（1）所示。

由式（1）可知，当振动工装质量m减小，结构刚度k增加时，工装固有频率fn会提高。常用的减重方法为选择比刚度高的材料；常用的增加刚度方法为设计加强筋。因此常用的工装材料为铝镁合金，常见工装结构为框架型。

以某型航天产品接口尺寸与振动实验台接口尺寸为依据，利用UG软件进行建模，设计了如图1所示工装。工装质量m=650 kg，外轮廓尺寸L=2 250 mm，B=2 280 mm，H=645 mm。平面与产品接触，带有光孔平面与振动台相连。由于该航天产品尺寸大，轮廓尺寸L×B×H=2 000 mm×2 000 mm×600 mm，具有多个锁紧面，各面间具有复杂的空间关系，各面间尺寸精度要求高。此外工装质量不得超过1 000 kg，为满足要求，将工装整体尺寸调整为可均匀分布20 mm加强筋与200 mm×200 mm减重镂空的结构。

图1 工装结构示意图

考虑振动工装对结构刚度要求较高，宜采用整体成型工艺进行加工，因此该工装采用铸造成型，再对各接触面进行机加工。各平面间利用加强筋相连，降低工装质量的同时尽量使工装满足振动强度要求。工装材料为比刚度较高的铝镁合金，材料性能如表1所示。

表1 工装材料铝镁合金属性表

2 有限元分析

为确保航天产品在发射过程中不被破坏，在发射前都会对其进行地面振动试验，并在试验前进行相应的有限元分析，例如分析航天产品的动态刚度与结构强度等。动态刚度主要指产品基频，结构强度主要指产品在正弦振动时的加速度、应力、应变响应与随机振动时的应力响应。作为航天产品的振动工装，也需要对其进行相应的分析，以验证工装是否能满足航天产品的试验要求。

首先将UG模型导入Hypermesh中，对模型进行网格划分，底板螺栓连接处建立RBE2刚性单元；然后将网格模型导入到MSC.patran，加载边界条件，模型节点数为41 326，单元数为22 107，最后利用MSC.nastran进行求解，有限元模型如图2所示。

工装底面与螺栓孔内表面全约束。对工装进行模态分析，如图3所示。从图中不难看出，前三阶模态分析中，相对变形量最大处均为非接触面的斜筋处。提取前3阶固有频率如表2所示。

图2 有限元模型

表2 工作固有频率表

工装前三阶基频都远大于产品振动试验时所需的振动频率，达到产品基频3倍，满足振动工装一阶频率远大于试件的一阶固有频率（100 Hz）的要求[8]。

为从设计角度检验所设计的工装，在正弦振动时的加速度、应力与应变响应，对所设计工装进行正弦振动分析，正弦振动条件如表3所示。

表3 正弦振动条件

利用MSC.patran/nastran中频率响应分析功能，采用模态叠加法分析，继承上文模态分析中模态求解数据。分别求解出X、Y、Z方向正弦振动条件下工装最大加速度和最大变形情况，如图4所示。图4（a）中，工装最大加速度为1.07 g，放大1.07倍，最大应力为0.74 MPa，小于材料屈服极限450 MPa，最大位移为0.027 mm；图4（b）中，工装最大加速度为1.24 g，放大1.24倍，最大应力为0.68 MPa，小于材料屈服极限450 MPa，最大位移为0.032 mm；图4（c）中，工装最大加速度为1.07 g，放大1.07倍，最大应力为1.33 MPa，小于材料屈服极限450 MPa，最大位移为0.027 mm。

图3 各阶模态图

图4 正弦振动响应图

图5 XYZ方向随机振动RMS应力（3δ）云图

为从设计角度检验所设计的工装在随机振动时的应力响应，对所设计工装进行随机振动分析，随机振动条件如表4所示。

表4 随机振动条件

随机振动结构阻尼取0.03，图5所示为XYZ方向随机振动RMS应力（3δ）云图。随机振动峰值应力结果（3δ）如表5所示。

表5 随机振动峰值应力与均方根加速度统计表

计算结果表明随机振动工装最大应力为39.4 MPa，小于材料屈服极限450 MPa，因此可初步判定所设计工装结构能承受总体提出的随机振动条件。

3 结束语

本文针对某航天产品设计了振动工装，利用UG进行结构建模，再通过Hypermesh软件进行有限元分析前处理，并利用MSC.Patran/Nastran对结构进行分析。分析结果表明，所设计工装一阶基频远大于产品一阶基频；频率响应分析Y方向振动最大加速度1.24 g，放大1.24倍，Z方向振动最大应力1.33 MPa，小于材料屈服极限450 MPa；Y方向振动最大位移为0.032 mm；随机振动工装最大应力为39.4 MPa，小于材料屈服极限450 MPa，因此工装结构满足试验要求。