復雜振動工裝設計對試驗影響分析

武文超，秦 昀，徐國權，濮龍鋒（．泛亞汽車技術中心有限公司，上海 00； ．蘇州旭博檢測服務有限公司，蘇州 050）

復雜振動工裝設計對試驗影響分析

武文超1，秦 昀1，徐國權1，濮龍鋒2
（1．泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2．蘇州旭博檢測服務有限公司，蘇州 205101）

隨著對汽車上的復雜系統振動環模的深入考察，也對試驗能力提出了更高的要求，以保證產品完成力學振動試驗?；谀掣叨塑囆偷那岸死鋮s模塊，對振動試驗工裝進行設計分析和試驗驗證，通過實際研究工作得出復雜邊界條件的振動工裝對試驗結果的影響，對產品設計具有指導性意義。

振動工裝；掃頻；CAE分析

引言

振動試驗是考查產品在使用過程中對路面激勵耐久度的考察，是環境試驗的重要組成部分。根據產品的不同功能和位置，振動試驗的考察方式有所不同，表現為三種形式：沖擊、隨機振動、撓曲振動。本文所應用的實例執行的振動試驗為沖擊和隨機振動的組合要求。振動工裝是連接被試產品與振動試驗設備的中間裝置，關系系試驗能否順利進行；振動工裝的設計影響試驗結果的可信程度（過試驗、欠試驗），工程最優設計是能把振動試驗設備的運動和能量不失真的傳遞給被試產品，即在試驗頻率范圍內其可視為剛體，一般要求其第1階固有頻率大于試驗的最高頻率。

實際中：對小型夾具、低頻試驗其可視為剛體；對大型夾具、高頻試驗將其視為剛體是不現實的。在共振區域其輸入、輸出及各點的運動參數將不在保持相同的值，影響試驗。

對振動工裝的要求如下：

1）機械：滿足被試產品的安裝要求，盡量模擬被試產品的實際安裝狀態；滿足振動試驗設備的安裝要求，關注重心的重合度；同時考慮多功能性、加工的工藝和方便程度及周期、經濟性等。

2）質量：在滿足試驗條件和振動試驗設備能力要求下盡可能輕。

3）傳遞特性：我國尚未制定夾具要求標準，參照美國桑迪亞公司提出的夾具標準介紹如表1所示。

通過以上分析可以看出，振動夾具的設計原則是在滿足試件安裝的前提下，使夾具盡可能質量小、剛度大、在試驗頻段不出現或削弱共振，振動夾具把振動臺的激勵不失真地傳遞給試件，理論上振動夾具在試驗頻帶范圍內應無諧振峰。對于復雜的大型振動夾具，很難達到以上要求，因此工裝的優化設計是成為一項長期而艱巨的工作。工程中，工裝的設計過程如下：

表1 夾具設計規范——傳遞特性

1）資料收集：被試品特性；試驗設備特性；試驗條件等。

2） 機械設計：被試品和試驗設備機械接口、試驗方向、重心重合、重量、材料優先選用比剛度大、阻尼大的鋁、鎂及其合金，盡可能不選鋼；工藝優先選用整體鑄造，其次選用焊接和螺接；結構形式優先選用對稱封閉形式。

3）仿真計算：模態分析計算固有頻率及振型；響應分析計算各點響應特性；強度分析校核動強度是否滿足。有條件可將動圈和夾具合成在一起進行仿真分析。

4）優化設計：在仿真分析的基礎上反復優化設計，以滿足機械接口、試驗條件、傳遞特性、動強度等要求。

本文通過一種汽車中多連接、復雜外表的振動模塊的試驗為實例載體，進行沖擊和隨機振動試驗，根據CAE分析和最終振動試驗數據來說明可靠的振動試驗工裝設計對振動實驗結果的重要性。

1 復雜產品振動試驗

下面以減震支撐的前端冷卻模塊（CRFM）振動試驗為例，對工裝設計進行分析。

CRFM是由發動機冷卻和空調系統的散熱功能零件集成在一起組成的模塊，位于發動機艙內，組成為水箱、冷凝器、中冷器、外置油冷器、風扇， 其中水箱是唯一與車架連接的零件，風扇在水箱后，中冷器在水箱前為支架連接。與汽車固定需要通過減震墊，減震墊與支架連接，支架固定（焊接/螺栓連接）在車身橫梁上，減震墊本身一般為橡膠產品，減震墊有振動特性，與產品裝配在一起考察振動耐久試驗性能。模塊尺寸為600 mm×600 mm×90 mm。

CRFM的振動試驗包括三方向的沖擊和隨機振動，三向沖擊矢量方向均在21～27 G之間，振動譜為頻域譜如圖1，三軸加速度最大為1.59 m/s2。X向為前后方向，Y向為橫向運動沖擊，Z向為垂向沖擊。三個方向的沖擊要求分別為全球客戶puma數據和標準方坑沖擊實驗統計的結果，其中Z向沖擊加速度最大，可達27 G。

隨機振動譜為頻域信號，是由三十多個標準工況的時域信號迭代轉化的結果。

為了突出說明工裝的設計對零件振動耐久試驗結果的影響，有工裝A（見圖2）和工裝B（見圖3）兩種設計，一臺工裝同時做兩個零件試驗，為了控制單個變量以方便對比，選取工裝A為焊接加部分鋁制板材結構，通過螺栓進行連接，結構在前后方向為三角型。工裝B為鋁材全焊接結構，為結構質量均勻的盒子型，零件安裝在B工裝上位外懸式，有效降低產品對產品的諧振影響。

復雜工裝CAE分析

工裝A的夾具+振動臺面的模型如圖4所示。

工裝A夾具壁板、底板、振動臺面材料為鋁合金。壁板和底板的連接方式為螺栓固定并且焊接。固定螺栓為M10，100×100 mm孔間距分布。

在加強筋周圍，加強筋與壁板焊接。

鋁合金材料特性設置如表2。

模型中壁板、底板以及振動臺面采用六面體單元劃分網格。螺栓采用梁單元和剛性單元模擬。模型中焊縫以實體單元模擬。圖5～10為工裝A各方向CAE分析結果。

圖1 隨機振動譜

表2 鋁合金材料特性設置

圖2 工裝A數模截圖

圖3 工裝B數模截圖

圖4 工裝A夾具+振動臺面幾何模型和有限元模型

圖5 X方向第一階模態頻率187.979 3 Hz

圖6 X方向第二階模態頻率453.400 1 Hz

圖7 Y方向第一階模態頻率287.406 0 Hz

圖8 Y方向第二階模態頻率660.002 1 Hz

圖9 Z方向第一階模態頻率522.894 8 Hz

圖10 Z方向第二階模態頻率704.110 3 Hz

表3 工裝A和工裝B模態頻率對比

工裝B模型中壁板、底板以及振動臺面采用四面體加六面體單元劃分網格。螺栓采用梁單元和剛性單元模擬。模型中焊縫以實體單元模擬。材料與工裝A的相同見表3。

2 應用實例與分析

工裝實際掃頻和試驗結果：

在振動臺上對振動夾具、減震墊特性分別進行隨機振動加載試驗，在振動夾具的底部、上下支架處，和產品模態點處分別布加速度傳感器，加速度傳感器在不影響試驗結果的前提下，可以在局部可能有共振的地方盡可能多的布置，主要測點如圖11所示。

圖11 工裝A加速度傳感器布置示意圖

表4～6列出了工裝A和工裝B的掃頻對比數據，掃頻方法有三種：

考察工裝一階共振點——圖11所示，將工裝地板固定在試驗臺架臺面上，輸入點設在工裝底板如圖中C1，設置輸入為1 g，由7～250 hz進行掃頻，找出工裝最易變形同時對輸入的放大效果最大的點，上部安裝支架處的一階共振點對應的頻率。

考察關鍵組成子零部件——減震墊特性，減震墊對模塊耐沖擊性能起了關鍵的作用，輸入為25 g，在10 ms內完成半正弦沖擊。

考察產品與工裝裝配后的諧振性能——輸入點設在工裝底板如圖中C1，設置輸入為1 g，由7～250 Hz進行掃頻，考察點為產品模態顯示最低點的加速度和頻率值。

可以看出工裝B的一階共振點大，減震墊特性好，工裝對輸入的沖擊放大倍數小。零件安裝在工裝上的一階共振反饋則差不多，圖12和圖13為工裝性能和減震墊特性掃頻舉例。

圖12是工裝B的掃頻曲線，反饋共振點為184 Hz。

圖13為減震墊特性曲線CRFM上水箱的上中兩點，反饋峰值45 g。

表3 工裝一階共振點反饋

表4 減震墊特性反饋

表5 產品與工裝裝配后的諧振性能

圖12 工裝B掃頻曲線Z向——監測點為最上方安裝支架

通過對成熟零件進行四輪試驗，結果一致顯示，用工裝B執行試驗通過，工裝A執行試驗在不同方向有不同的失效模式，表現為Y向風扇沖擊水箱翅片導致水箱泄露的實效模式，如圖14所示。當進行Z向的隨機振動時，頻繁發生一致的實效模式中冷器的安裝支架斷裂，如圖15所示。說明工裝A的設計，對產品造成了過試驗的影響。與掃頻結果一致。在此要說明的是，過試驗不代表試驗要求更加嚴苛，而是對于產品的薄弱處進行了錯誤的導向，有可能指引產品錯誤的設計理念。

圖13 減震墊特性曲線——監測點為水箱上中部

3 結論

振動試驗工裝的設計對振動試驗有直接影響，本文通過舉例對比分析CAE和實際試驗，證明了仿真和工裝掃頻分析對試驗的正確執行缺一不可，振動試驗工裝的優化設計對試驗的正確執行有至關重要的作用。

圖14 Y向隨機振動失效——水箱扁管泄露

圖15 Z向隨機振動失效——中冷器安裝支架斷裂

[1]孫依禺. 薄壁件柔性夾持工裝的仿真技術研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學, 2013.

[2]劉晶鑫. 振動工裝固有頻率的分析[J]. 軍民兩用技術與產品, 2014, 12:53-55.

[3]Weui Bong Jeong,Wan Suk Yoo,Jun Yeop Kim. Sensitivity analysis of anti-resonance frequency for vibration test control of a fixture[J]. KSME International Journal,2003,1711.

[4]Jun -Yeop Kim,Eul -Jae Yoon,Sung -Jo Chang,Do -Young Kim,Weui -Bong Jeong. A study on the determination of optimal reference spectrum for random vibration control in environmental vibration test[J]. KSME Journal,1996,102.

[5]Meredith N,Book K,Friberg B,Jemt T,Sennerby L. Resonance frequency measurements of implant stability in vivo. A crosssectional and longitudinal study of resonance frequency measurements on implants in the edentulous and partially dentate maxilla [J]. Clinical oral implants research,1997,83:.

Analysis on Influence of Design of Complex Fixture on Vibration Test

WU Wen-chao1, QIN Yun1, XU Guo-quan1, PU Long-feng2
(1. Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2. Suzhou Xubo Testing Service Co., Ltd., Suzhou 205101)

With the profound investigation on the vehicle’s complex system vibration mode, the higher requirements for testability are put forward, in order to guarantee the accomplishment of vibration test. Based on the front cooling module of a high-end model, the design analysis and experimental verification of vibration test fixture are provided. In addition, the influence of vibration fixture on test results in the condition of complex boundary through actual research work, which has instructive significance for product design.

vibration fixture; vibration sweep; CAE analysis

U467.3

A

1004-7204（2017）01-0011-06

武文超（1979-），男，上海市人，泛亞汽車技術中心有限公司試驗認證部高級經理，一直從事汽車產品檢測與認證、環境與可靠性試驗領域的研究。