某型滅火器振動夾具仿真與模態分析

盛德兵，尹東輝，趙可淪，黃英齡

（1.廣電計量檢測（武漢）有限公司，武漢 430070； 2.廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510627）

引言

好的振動夾具能將機械能不失真地傳遞給試件，不會引起試件的欠試驗或過試驗。振動夾具在設計上要求重量輕、剛度質量比大,在試驗頻率范圍內盡量避免發生共振。振動夾具設計是否合理，關鍵在于夾具的一階固有頻率要盡量高,且均勻性和傳遞特性要好[1-4]。對于夾具的一階共振頻率的分析方法包括理論計算、有限元仿真和模態試驗等方法。本文采用有限元建模對某型產品的振動夾具進行分析并進行優化設計,并通過掃頻模態試驗驗證其合理性。

1 振動夾具設計

1.1 振動夾具設計要求

某型樣品需進行振動、沖擊試驗，其中樣品由滅火器鋼瓶及管路附件組成。對樣品的振動試驗進行10～60 Hz掃頻試驗及耐振試驗，為保證振動試驗時振動條件的準確施加，防止由于滅火器瓶組支架共振導致滅火器站的振動過大而導致損壞，需對滅火器瓶組支架進行結構優化設計。在保證滅火器瓶組支架尺寸、重量滿足需求的同時，其固有頻率應避開振動試驗頻率范圍（10～60 Hz頻率范圍內無固有頻率），因此對優化設計后的滅火器瓶組支架進行模態仿真分析，分析其固有頻率及振型，驗證其結構優化設計模型。

1.2 振動夾具材料選擇

為了提升夾具的固有頻率和增加夾具剛度，一般設計時參考公式：

式中：

f—頻率（Hz）；

k—剛度（N/m）；

m—質量（kg）。

由上述公式，可以看出，夾具的固有頻率與質量成反比，要想提高夾具的固有頻率，需要降低夾具的重量。制造夾具的常用材料有：鋼、鋁、鎂、鎂鋁合金等[5]。考慮到夾具的方便及強度，本次夾具選用中空方鋼管，以便于焊接，減重。

1.3 夾具的結構設計

在樣品和夾具組裝后，振動夾具加樣品的重心一般要在振動臺面中心的軸線上，以使振動臺受到的偏心盡可能小，夾具的底面安裝孔與振動臺臺面安裝孔一致。用內部有橡膠墊的卡箍固定氣瓶，夾具底部用帶有橡膠的“杯托”支撐氣瓶，氣瓶的頸部用帶橡膠墊的卡箍固定以防止氣瓶上下移動。

2 有限元優化設計

2.1 模型簡化

為減少計算量并保證結果的準確性，對模型進行模型簡化處理，簡化的原則如下：

1）不考慮構件安裝的初始應力，不考慮加工誤差；

2）對樣品的小孔、倒角、圓角進行簡化處理；

3）刪除滅火器抱箍、橡膠墊等活動部件；

簡化后的振動夾具，導入Hypermesh中如圖1所示。

2.2 網格劃分

將簡化后模型在Hypermesh中進行網格劃分，劃分后的有限元模型如圖2所示。振動夾具支架單元數1256394個，網格類型為四面體，單元類型為solid185。

3 模態分析

3.1 邊界條件

在振動試驗過程中，樣品及其工裝底部固定在振動試驗臺面上，因此在進行模態仿真時，需對夾具底面施加固定約束，如圖3所示。

3.2 夾具模態分析結果

采用ANSYS對某型滅火器振動夾具進行模態分析，仿真計算其前10階模態，計算得到的固有頻率如表1所示，前2階振型如圖4、圖5所示。

圖1 簡化后的某型滅火器振動夾具模型

圖2 某型滅火器振動夾具有限元模型

圖3 底板施加固定約束邊界條件

由分析的結果可以知，夾具的一階固有頻率為56.686 Hz，低于測試最高頻率（10～60 Hz頻率范圍內無固有頻率），振動試驗過程中容易引起共振，故需對夾具的設計方案進行優化設計。

優化后的夾具，采用ANSYS對某型滅火器振動夾具進行模態分析，仿真計算其前10階模態，計算得到的固有頻率如表2所示，前2階振型如圖8、圖9所示。

優化后的夾具，通過仿真分析計算，其固有頻率都在試驗的上限頻率（10～60 Hz頻率范圍內無固有頻率）以上，滿足試驗要求。

表1 某型滅火器振動夾具固有頻率列表

圖4 某型滅火器振動夾具第1階模態振型（優化前）

圖5 某型滅火器振動夾具第2階模態振型（優化前）

圖6 優化前的設計

圖7 優化后的設計（白色部分為橫筋加強）

4 振動夾具模態分析

為了與驗證仿真分析結果進行對比，采用正弦掃頻試驗對振動夾具進行試驗模態分析，正弦掃頻參數設置：對數掃頻，速率為1 oct/min，控制點放在振動臺面與夾具底面連接處的夾具中間的固定點上，測量點放在夾具最上面一個橫梁上，其掃頻頻譜如圖10所示。可在曲線中查找出前2階共振頻率如表3所示。從表3可看出夾具的一階共振頻率為81.3 Hz，大于試驗要求頻率上限的60 Hz，測試結果表明該夾具滿足振動試驗的要求。

表2 某型滅火器振動夾具固有頻率列表

圖8 某型滅火器振動夾具第1階模態振型（優化后）

圖9 某型滅火器振動夾具第2階模態振型（優化后）

5 仿真與試驗模態分析結果對比

將仿真計算和掃頻試驗得出的夾具前2階共振頻率值進行比對，以掃頻試驗數據為標準值計算仿真分析得到結果的誤差如表4所示。由表4可看出由仿真計算得出的前二階頻率與試驗測得的頻率最大絕對誤差為6.9 %、最小為3.6 %，在仿真誤差允許的范圍之內。

6 結語

本文通過有限元建模對某型產品的振動夾具進行優化設計，以提高夾具的固有頻率，為了驗證仿真分析結果，采用正弦掃頻對振動夾具進行試驗模態試驗，經對比，仿真計算與掃頻試驗模態分析的結果基本一致，優化后的振動夾具能夠滿足某型滅火器振動試驗的要求。

表3 某型滅火器振動夾具固有頻率列表

圖10 某型滅火器振動夾具掃頻曲線

表4 共振頻率對比