航天產(chǎn)品振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)

初永志，陸振玉，劉昌儒，韓哈斯敖其爾

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

0 引言

在航天產(chǎn)品發(fā)射升空過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作、發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)間分離與POGO效應(yīng)等原因，航天產(chǎn)品會(huì)發(fā)生的不可避免的振動(dòng)[1-2]。因此航天產(chǎn)品發(fā)射升空前，都需要進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)地面的振動(dòng)試驗(yàn)考核航天產(chǎn)品是否能經(jīng)受發(fā)射時(shí)的振動(dòng)[3-4]。各種型號(hào)的航天產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中都需要一定的工裝進(jìn)行輔助，以確保振動(dòng)試驗(yàn)正常開(kāi)展。振動(dòng)工裝為產(chǎn)品與振動(dòng)臺(tái)間連接件，是否能將振動(dòng)臺(tái)輸出的力與位移盡量無(wú)損地傳遞到產(chǎn)品上，是振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芊裾ｉ_(kāi)展的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)有的振動(dòng)試驗(yàn)工裝，大多通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD/CAE）進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。有的先用Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application（CATIA）軟件進(jìn)行建模，再利用MSC.Patran/MSC.Nastran軟件進(jìn)行力學(xué)分析[5]；有的先用Pro/Engineer軟件進(jìn)行建模，再利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行力學(xué)分析[6-7]。UG作為常用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，也可進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)工裝建模。本文根據(jù)某型航天產(chǎn)品需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)振動(dòng)工裝，并先用UG軟件進(jìn)行了建模，再利用Hypermesh和MSC.Patran/Nastran軟件進(jìn)行有限元分析，初步檢驗(yàn)振動(dòng)工裝的動(dòng)態(tài)剛度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 工裝設(shè)計(jì)

振動(dòng)試驗(yàn)工裝為振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)與航天產(chǎn)品件連接件，因此其結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)符合兩者的接口尺寸。此外，還需要振動(dòng)工裝的固有頻率fn盡量增大，以滿足試驗(yàn)需求，如式（1）所示。

由式（1）可知，當(dāng)振動(dòng)工裝質(zhì)量m減小，結(jié)構(gòu)剛度k增加時(shí)，工裝固有頻率fn會(huì)提高。常用的減重方法為選擇比剛度高的材料；常用的增加剛度方法為設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。因此常用的工裝材料為鋁鎂合金，常見(jiàn)工裝結(jié)構(gòu)為框架型。

以某型航天產(chǎn)品接口尺寸與振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)接口尺寸為依據(jù)，利用UG軟件進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了如圖1所示工裝。工裝質(zhì)量m=650 kg，外輪廓尺寸L=2 250 mm，B=2 280 mm，H=645 mm。平面與產(chǎn)品接觸，帶有光孔平面與振動(dòng)臺(tái)相連。由于該航天產(chǎn)品尺寸大，輪廓尺寸L×B×H=2 000 mm×2 000 mm×600 mm，具有多個(gè)鎖緊面，各面間具有復(fù)雜的空間關(guān)系，各面間尺寸精度要求高。此外工裝質(zhì)量不得超過(guò)1 000 kg，為滿足要求，將工裝整體尺寸調(diào)整為可均勻分布20 mm加強(qiáng)筋與200 mm×200 mm減重鏤空的結(jié)構(gòu)。

圖1 工裝結(jié)構(gòu)示意圖

考慮振動(dòng)工裝對(duì)結(jié)構(gòu)剛度要求較高，宜采用整體成型工藝進(jìn)行加工，因此該工裝采用鑄造成型，再對(duì)各接觸面進(jìn)行機(jī)加工。各平面間利用加強(qiáng)筋相連，降低工裝質(zhì)量的同時(shí)盡量使工裝滿足振動(dòng)強(qiáng)度要求。工裝材料為比剛度較高的鋁鎂合金，材料性能如表1所示。

表1 工裝材料鋁鎂合金屬性表

2 有限元分析

為確保航天產(chǎn)品在發(fā)射過(guò)程中不被破壞，在發(fā)射前都會(huì)對(duì)其進(jìn)行地面振動(dòng)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)前進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析，例如分析航天產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)剛度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。動(dòng)態(tài)剛度主要指產(chǎn)品基頻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要指產(chǎn)品在正弦振動(dòng)時(shí)的加速度、應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)與隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的應(yīng)力響應(yīng)。作為航天產(chǎn)品的振動(dòng)工裝，也需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的分析，以驗(yàn)證工裝是否能滿足航天產(chǎn)品的試驗(yàn)要求。

首先將UG模型導(dǎo)入Hypermesh中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，底板螺栓連接處建立RBE2剛性單元；然后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到MSC.patran，加載邊界條件，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為41 326，單元數(shù)為22 107，最后利用MSC.nastran進(jìn)行求解，有限元模型如圖2所示。

工裝底面與螺栓孔內(nèi)表面全約束。對(duì)工裝進(jìn)行模態(tài)分析，如圖3所示。從圖中不難看出，前三階模態(tài)分析中，相對(duì)變形量最大處均為非接觸面的斜筋處。提取前3階固有頻率如表2所示。

圖2 有限元模型

表2 工作固有頻率表

工裝前三階基頻都遠(yuǎn)大于產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)所需的振動(dòng)頻率，達(dá)到產(chǎn)品基頻3倍，滿足振動(dòng)工裝一階頻率遠(yuǎn)大于試件的一階固有頻率（100 Hz）的要求[8]。

為從設(shè)計(jì)角度檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的工裝，在正弦振動(dòng)時(shí)的加速度、應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)，對(duì)所設(shè)計(jì)工裝進(jìn)行正弦振動(dòng)分析，正弦振動(dòng)條件如表3所示。

表3 正弦振動(dòng)條件

利用MSC.patran/nastran中頻率響應(yīng)分析功能，采用模態(tài)疊加法分析，繼承上文模態(tài)分析中模態(tài)求解數(shù)據(jù)。分別求解出X、Y、Z方向正弦振動(dòng)條件下工裝最大加速度和最大變形情況，如圖4所示。圖4（a）中，工裝最大加速度為1.07 g，放大1.07倍，最大應(yīng)力為0.74 MPa，小于材料屈服極限450 MPa，最大位移為0.027 mm；圖4（b）中，工裝最大加速度為1.24 g，放大1.24倍，最大應(yīng)力為0.68 MPa，小于材料屈服極限450 MPa，最大位移為0.032 mm；圖4（c）中，工裝最大加速度為1.07 g，放大1.07倍，最大應(yīng)力為1.33 MPa，小于材料屈服極限450 MPa，最大位移為0.027 mm。

圖3 各階模態(tài)圖

圖4 正弦振動(dòng)響應(yīng)圖

圖5 XYZ方向隨機(jī)振動(dòng)RMS應(yīng)力（3δ）云圖

為從設(shè)計(jì)角度檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的工裝在隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的應(yīng)力響應(yīng)，對(duì)所設(shè)計(jì)工裝進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，隨機(jī)振動(dòng)條件如表4所示。

表4 隨機(jī)振動(dòng)條件

隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)阻尼取0.03，圖5所示為XYZ方向隨機(jī)振動(dòng)RMS應(yīng)力（3δ）云圖。隨機(jī)振動(dòng)峰值應(yīng)力結(jié)果（3δ）如表5所示。

表5 隨機(jī)振動(dòng)峰值應(yīng)力與均方根加速度統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果表明隨機(jī)振動(dòng)工裝最大應(yīng)力為39.4 MPa，小于材料屈服極限450 MPa，因此可初步判定所設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu)能承受總體提出的隨機(jī)振動(dòng)條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)了振動(dòng)工裝，利用UG進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，再通過(guò)Hypermesh軟件進(jìn)行有限元分析前處理，并利用MSC.Patran/Nastran對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)工裝一階基頻遠(yuǎn)大于產(chǎn)品一階基頻；頻率響應(yīng)分析Y方向振動(dòng)最大加速度1.24 g，放大1.24倍，Z方向振動(dòng)最大應(yīng)力1.33 MPa，小于材料屈服極限450 MPa；Y方向振動(dòng)最大位移為0.032 mm；隨機(jī)振動(dòng)工裝最大應(yīng)力為39.4 MPa，小于材料屈服極限450 MPa，因此工裝結(jié)構(gòu)滿足試驗(yàn)要求。