基于ANSYS的振動工裝夾具的設計和仿真

鞠明洋

（陜西科技大學阿爾斯特學院，西安 710021）

引言

在計算機技術的迅猛發展下，工裝夾具的設計取得了有效的創新，不僅在理論上應用了新的模態分析理論，同時，在設計方法上，還研發了一種功能多樣、通用性強的有限元分析軟件，如ANSYS軟件。目前，國外多個發達國家均利用有限元分析軟件，對振動臺夾具進行科學設計，使得該工裝夾具的使用性能得以大幅度提高。所以在ANSYS軟件的應用背景下，如何對振動工裝夾具進行科學設計和仿真是技術人員必須思考和解決的問題。

1 振動工裝夾具設計

1.1 夾具設計要求

本文所設計的工裝夾具主要用于后期振動強化試驗的開展，整個試驗所用到的激勵源呈現出隨機振動狀態，并沿著垂直方向和水平方向進行隨機振動。在進行振動強化試驗期間，試驗剖面主要以下兩種剖面組成，分別是量級剖面和譜密度剖面，其中，量級剖面屬于典型的步進應力剖面，其量級值由低到高逐漸增加，當達到電動臺的極限量量級時，其量級停止增加，所以，振動強度普遍較高。另外，應力譜密度剖面通常表現出較高的寬頻帶特性，可以快速地發現和處理比較敏感的引信缺陷問題，所以，在設置電動臺的的頻率范圍期間，要沿著垂直方向，將其范圍設置為5～3 000 Hz之間，沿著水平方向，將其范圍設置為5～2 000 Hz之間。此外，還要嚴格按照以下工裝夾具設計要求，對該夾具進行科學化、規范化設計。第一，夾具的首階固有頻率要遠遠超過最高試驗所對應的頻率，也就是說夾具沿著垂直方向所對應的首階固有頻率要控制在3 000 Hz以上，沿著水平方向的首階固有頻率必須控制在2 000 Hz以上。固有頻率計算公式為

式中：

f—固有頻率；

k—工裝剛度；

m—工裝質量。

第二，夾具與連接面上所對應的各個連接點必須保持相同的響應速度，使得試驗所對應的激勵輸入表現出較高的穩定性和均勻性。第三，要盡可能提高工裝夾具的剛度，確保其能夠承受較高的振動強度。第四，工裝夾具在實際運動期間，要確保其沿著橫向運動幅度的穩定性。第五，當夾具和試件被同時安裝和固定在振動試驗臺上時，要確保振動臺面與復合夾具之間的距離達到最小，使得夾具重心變得越來越低，從而保證夾具的穩定性和可靠性。第六，工裝夾具的阻尼要盡可能大，其波形失真程度要盡可能小。第七要確保所設計的工裝夾具具有穩定的機械性能，首先，要嚴格按照所設置好的被試件產品使用要求，對被試件的當前安裝效果進行真實化模擬。同時，還要嚴格按照振動試驗設備安裝和固定步驟，科學控制夾具重心位置。此外，還要確保所設計的工裝夾具表現出一定的多功能性、加工簡易性、經濟性等特點。第八在控制工裝夾具質量時，要在滿足振動試驗條件的基礎上，盡可能降低夾具的質量，確保其表現出質量較輕的特點。總之，要想進一步提高工裝夾具的設計水平和效果，設計人員必須要嚴格遵循以上設計原則，提高夾具的使用性能。

1.2 夾具材料選擇

目前，比較常用的夾具材料主要包含以下幾種：①鋁材。鋁材通常表現出密度小剛度高、性能穩定等特點，該材料被廣泛地應用于工裝夾具中，并取得了良好的應用效果。②鋼材。鋼材表現較高的密度和質量，但是，其阻尼相對較小，導致鋼制夾具所對應的固有頻率普遍較低，不滿足高頻率工裝夾具設計要求[1]。③鎂材。鎂材表現出質量輕、阻尼大、焊接簡單等特點，可以制更加優質的工裝夾具材料，但是，鎂材具有一定易燃性，因此，不能將其應用于工裝夾具制作中。通過全面地對比和分析工裝夾具應用材料特點，將LY12鋁合金材料設置為工裝夾具制作材料，LY12鋁合金材料的特性如表1所示。

表1 LY12鋁合金材料的特性

1.3 夾具初步設計

在充分結合工裝夾具外形特點的基礎上，嚴格按照夾具設計相關標準和要求，利用SolidWorks軟件，對工裝夾具三維圖進行初步設計，夾具的三維圖形如圖1所示。夾具初步設計原則如下：①將工裝夾具設計成以下兩種獨立結構，分別是長方體和圓柱體，降低加工難度和加工成本。②將夾具重心降到最低[2]，并優先選用對稱設計法，對其進行設計。③確保振動臺能夠安全、可靠地傳遞到夾具中。整個工裝夾具主要由夾具上體和夾具下體兩個部分組成，這兩個部分主要借助內六角螺釘建立良好的連接關系[3]。夾具下體為長方體，其長、寬、高分別為130 mm、130 mm、32 mm，使用內六角螺釘可以將其與振動臺之間進行有效、穩定地連接，中間設置相應的螺紋孔，確保夾具上體插入到夾具下體中間位置。夾具下體外觀呈現出直徑為110 mm、高為27 mm的圓柱體[4]，中間設置相應的弧形孔，通過將工裝夾具設置為這種結構，可以降低工裝夾具在整個試驗中重心，確保工裝夾具表現出頻響特性穩定，橫向運動良好等特點[5]。

圖1 夾具的三維圖形

2 ANSYS軟件仿真

2.1 有限元模態分析理論

通過利用有限元分析法，對結構進行有效地劃分，在穩定運動狀態下，各個節點達到動力平衡狀態[6]，此外，對于多個工裝夾具構成的復合夾具而言，不同夾具之間的連接可以產生相應的串聯彈簧性質或者并聯彈簧性質。當串聯彈簧表現出一定的大撓度性時，其總撓度值大小與最軟彈簧之間存在密切聯系[7]；當并聯彈簧表現出一定的小撓度性時，其總撓度值大小與最硬彈簧之間存在著密切聯系。由此可見，當工裝夾具剛度大且質量輕時，可以獲得相對較高的固有頻率，同時，在使用復合夾具期間，要綜合考慮串并聯狀態對夾具剛度所產生的作用和影響。在處理多自由度復雜模型時，技術人員要優先選用子空間迭代法，對工裝夾具的固有頻率進行科學計算。

2.2 ANSYS模態分析

對于工裝夾具而言，主要由以下兩個部分組成，分別是上體和下體，在進行垂直隨機振動期間，夾具上體和下體經過組合可以獲得串聯彈簧性質[8]。在進行水平隨機振動期間，夾具的上體和下體經過組合可以獲得并聯彈簧性質。利用子空間迭代法模態分析工裝夾具期間，一旦該夾具無法滿足相關標準和要求，需要對其進行改進處理，然后，對改進處理后的夾具進行模態分析。由于工裝夾具實體通常表現出一定的簡單性，所以，通過借助四面體單元，可以實現對夾具的科學劃分，從而全面地了解和把握物理模型的實際情況，同時，還確保計算流程的簡單性。在此基礎上，通過使用四個螺釘，將夾具安裝和固定在振動臺上。通過利用ANSYS軟件對夾具進行模態分析，所獲得的夾具的有限元模型如圖2所示。

圖2 夾具的有限元模型

所獲得的夾具仿真自振頻率如表2所示。從表2中的數據可以看出，通過利用ANSYS軟件，對工裝夾具進行模態分析，可以確保所設計的工裝夾具更好地滿足振動強化試驗相關標準和要求。

3 試驗驗證

嚴格按照所設置好的夾具結構設計相關標準和要求，對工裝夾具進行科學化加工，溶蝕，采用單點激振錘擊測量法，對工裝夾具進行科學化試驗，其測試系統組成原理如圖3所示。

圖3 測試系統組成

此外，通過利用試驗模態測試法，對工裝夾具進行測試，獲得如表3所示的夾具自振頻率，然后，全面地對比和分析表3和表2中的數據，發現兩者結果幾乎吻合，這表明ANSYS軟件模態分析在工裝夾具設計中表現出一定的可靠性和有效性。

表2 夾具仿真自振頻率

表3 夾具整體試驗自振頻率

4 結束語

綜上所述，通過利用ANSYS軟件，對所設計好的工裝夾具進行科學化模態分析，并精確地計算出該夾具的固有頻率，然后，采用試驗驗證的方式，對該夾具仿真的可靠性和有效性進行驗證。結果表明：通過向該夾具的模態分析中，應用有限元分析法，可以保證最終計算結果的有效性和可靠性。另外，通過利用有限元軟件，對設計后或者制作前的工裝夾具進行仿真，可以有效地改進和優化夾具結構和材料，確保夾具滿足相關性能要求，從而獲得最佳設計方案，以達到減少夾具設計時間的目的。