某型灭火器振动夹具仿真与模态分析

2021-03-19盛德兵尹东辉赵可沦黄英龄

环境技术 2021年1期

盛德兵，尹东辉，赵可沦，黄英龄

（1.广电计量检测（武汉）有限公司，武汉 430070； 2.广州广电计量检测股份有限公司，广州 510627）

引言

好的振动夹具能将机械能不失真地传递给试件，不会引起试件的欠试验或过试验。振动夹具在设计上要求重量轻、刚度质量比大,在试验频率范围内尽量避免发生共振。振动夹具设计是否合理，关键在于夹具的一阶固有频率要尽量高,且均匀性和传递特性要好[1-4]。对于夹具的一阶共振频率的分析方法包括理论计算、有限元仿真和模态试验等方法。本文采用有限元建模对某型产品的振动夹具进行分析并进行优化设计,并通过扫频模态试验验证其合理性。

1 振动夹具设计

1.1 振动夹具设计要求

某型样品需进行振动、冲击试验，其中样品由灭火器钢瓶及管路附件组成。对样品的振动试验进行10～60 Hz扫频试验及耐振试验，为保证振动试验时振动条件的准确施加，防止由于灭火器瓶组支架共振导致灭火器站的振动过大而导致损坏，需对灭火器瓶组支架进行结构优化设计。在保证灭火器瓶组支架尺寸、重量满足需求的同时，其固有频率应避开振动试验频率范围（10～60 Hz频率范围内无固有频率），因此对优化设计后的灭火器瓶组支架进行模态仿真分析，分析其固有频率及振型，验证其结构优化设计模型。

1.2 振动夹具材料选择

为了提升夹具的固有频率和增加夹具刚度，一般设计时参考公式：

式中：

f—频率（Hz）；

k—刚度（N/m）；

m—质量（kg）。

由上述公式，可以看出，夹具的固有频率与质量成反比，要想提高夹具的固有频率，需要降低夹具的重量。制造夹具的常用材料有：钢、铝、镁、镁铝合金等[5]。考虑到夹具的方便及强度，本次夹具选用中空方钢管，以便于焊接，减重。

1.3 夹具的结构设计

在样品和夹具组装后，振动夹具加样品的重心一般要在振动台面中心的轴线上，以使振动台受到的偏心尽可能小，夹具的底面安装孔与振动台台面安装孔一致。用内部有橡胶垫的卡箍固定气瓶，夹具底部用带有橡胶的“杯托”支撑气瓶，气瓶的颈部用带橡胶垫的卡箍固定以防止气瓶上下移动。

2 有限元优化设计

2.1 模型简化

为减少计算量并保证结果的准确性，对模型进行模型简化处理，简化的原则如下：

1）不考虑构件安装的初始应力，不考虑加工误差；

2）对样品的小孔、倒角、圆角进行简化处理；

3）删除灭火器抱箍、橡胶垫等活动部件；

简化后的振动夹具，导入Hypermesh中如图1所示。

2.2 网格划分

将简化后模型在Hypermesh中进行网格划分，划分后的有限元模型如图2所示。振动夹具支架单元数1256394个，网格类型为四面体，单元类型为solid185。

3 模态分析

3.1 边界条件

在振动试验过程中，样品及其工装底部固定在振动试验台面上，因此在进行模态仿真时，需对夹具底面施加固定约束，如图3所示。

3.2 夹具模态分析结果

采用ANSYS对某型灭火器振动夹具进行模态分析，仿真计算其前10阶模态，计算得到的固有频率如表1所示，前2阶振型如图4、图5所示。

图1 简化后的某型灭火器振动夹具模型

图2 某型灭火器振动夹具有限元模型

图3 底板施加固定约束边界条件

由分析的结果可以知，夹具的一阶固有频率为56.686 Hz，低于测试最高频率（10～60 Hz频率范围内无固有频率），振动试验过程中容易引起共振，故需对夹具的设计方案进行优化设计。

优化后的夹具，采用ANSYS对某型灭火器振动夹具进行模态分析，仿真计算其前10阶模态，计算得到的固有频率如表2所示，前2阶振型如图8、图9所示。

优化后的夹具，通过仿真分析计算，其固有频率都在试验的上限频率（10～60 Hz频率范围内无固有频率）以上，满足试验要求。

表1 某型灭火器振动夹具固有频率列表

图4 某型灭火器振动夹具第1阶模态振型（优化前）

图5 某型灭火器振动夹具第2阶模态振型（优化前）

图6 优化前的设计

图7 优化后的设计（白色部分为横筋加强）

4 振动夹具模态分析

为了与验证仿真分析结果进行对比，采用正弦扫频试验对振动夹具进行试验模态分析，正弦扫频参数设置：对数扫频，速率为1 oct/min，控制点放在振动台面与夹具底面连接处的夹具中间的固定点上，测量点放在夹具最上面一个横梁上，其扫频频谱如图10所示。可在曲线中查找出前2阶共振频率如表3所示。从表3可看出夹具的一阶共振频率为81.3 Hz，大于试验要求频率上限的60 Hz，测试结果表明该夹具满足振动试验的要求。