某试验设备振动联接器结构优化设计

周富,李川

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.海军装备部驻广州地区军事代表局，重庆 401121）

振动联接器作为振动台与被试件的连接和能量传递的部件，在振动试验中发挥着极为重要的作用，试验成功与否，试验结果的可信程度，与联接器设计、制作及安装使用水平息息相关。设计不合格的振动联接器容易造成振动试验过程出现“共振”、“过振动”或“欠振动”，直接影响到振动试验结果的准确性以及振动系统的安全可靠运行，导致无法对试验结果进行准确评价。基于仿真软件对振动联接器结构进行有限元模态分析与改进，可使结构避免共振或按特定频率进行振动，同时也可了解结构对不同类型动力荷载的响应，有效提高振动联接器的设计品质和振动试验结果的准确性。本文以某综合试验装置的振动联接器为研究对象，基于CATIA三维软件对振动联接器结构进行设计，并结合ANSYS Workbench模态仿真分析及试验验证情况，对结构进行优化改进，从而得到满足设计要求的振动联接器。

1 振动联接器设计基本要求

（1）振动联接器固有频率在试验要求频率（5～2000Hz）范围外，即振动试验中振动联接器本身无共振现象。

（2）振动联接器应能方便地与振动台及试验台连接和拆卸。

（3）在满足刚度、频率、位移等约束条件的前提下，振动联接器重量应尽可能轻。

2 振动联接器初期结构

图1是振动联接器初期结构示意图。根据试验装置试验工况需要，该振动联接器由铝合金底座、310S不锈钢框架和顶板三部分组成。各部分通过M16螺栓连接，试验件置于顶板上表面，通过螺栓与顶板进行紧固相连。振动联接器通过底座区域的八个支撑结构与振动台连接，并采用螺栓将支撑结构法兰面与振动台连接紧固。振动联接器的质量为252kg。

图1 振动联接器初期结构示意图

3 振动联接器的模态分析

3．1 模态分析理论

模态分析实质是计算结构振动方程的特征值和特征矢量，其结构动力学运动微分方程为：

式中，[M]是结构质量矩阵；[C]是结构阻尼矩阵；是结构刚度矩阵；是加速度矢量；是速度矢量；是位移矢量；是随时间变化的载荷函数。

当结构不受外力、不计阻尼时，系统运微分方程为：

当发生谐振动时，则方程为：

通过对式（3）求解，可以得到结构的固有频率iω和振型Φi。

3．2 振动联接器有限元模型建立

采用CATIA软件进行振动联接器结构三维建模，然后在ANSYS Workbench有限元分析软件前处理模块转化生成实体模型，进行网格划分（图2）。振动联接器底座选用铝合金材料，其余选用不锈钢材料（表1）。

图2 振动联接器初期结构网格划分

表1 振动联接器所用材料的主要物理特性

振动夹具上各部分之间的连接螺栓连接采用全约束，对8个支撑底部端面施加固定约束。

3．3 仿真分析

应用ANSYS Workbench有限元分析软件中的模态分析对模型分析，得到前六阶固有频率（表2）、振型及相应位移。由仿真结果可以看到，前六阶固有频率均在（5～2000Hz）范围内。说明振动联接器会产生共振，振动频率传递会失真（图3）。

表2 振动联接器前六阶固有频率

图3 振动联接器初始结构振动频率下的振型

4 试验验证

为了验证仿真结果的准确性，采用额定推力98000N的振动台对振动联接器进行正弦扫频试验，试验状态如图4所示，在振动台上安装加速度传感器控制试验谱输入，在振动联接器顶部中心安装另一个加速度传感器监控系统反馈输出。

图4 振动联接器正弦扫频试验

试验过程中，213Hz和453Hz左右振动台出现了明显共振，200Hz左右时反馈的加速度信号如图5所示。从图中可以看到，在213.73Hz时，反馈加速度为36.0804g，453.475Hz时，反馈加速度是11.8879g，远大于其他频率下的反馈加速度，与仿真分析的共振频率接近，说明模态仿真结构具有较高的准确度。

图5 振动联接器正弦扫频试验频谱

5 振动联接器的结构优化改进

通过仿真分析及振动试验验证可知，振动联接器的固有频率过低，出现了共振现象，传递振动台的能量有偏差，不能准确的为被试品提供标准所规定的振动条件。因此，需要对振动联接器进行优化改进。通过对仿真分析中共振频率点振型进行分析，发现顶板及框架区域是整体中的薄弱环节，对振动联接器结构方案进行了优化改进，改进后的振动联接器质量为158kg（图6）。

图6 改进后的振动联接器模型

采用ANSYS Workbench有限元分析软件对改进后的振动联接器结构进行模态分析，结果显示结构第一阶固有频率为2018.8Hz，相比改进前有了很大的提升，满足了频率（5～2000Hz）范围外的试验要求（图7）。

图7 改进后的振动联接器第一阶模态振型

6 结语

本文针对某试验装置振动联接器进行了模态分析、试验验证及结构优化改进，通过分析优化，明显提高了振动联接器的固有频率，避免因固有频率过低而导致的“共振”、“过振动”及“欠振动”现象。利用CATIA三维建模软件和ANSYS Workbench有限元分析软件的结合的联合设计方法，极大的提高了设计品质，为快速解决实际问题提供了有效手段。