大型振动台夹具的模态分析及结构改进

第31卷第5期苏州大学学报（工科版）Vol.31No．5 2011年10月JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY（ENGINEERING SCIENCE EDITION）Oct．2011文章编号：1673－047X（2011）－05－0056－04

大型振动台夹具的模态分析及结构改进

孙晓洁1，陈俊2，王安柱1，朱忠奎1

（1．苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215021；2．东菱振动试验仪器有限公司，江苏苏州215011）

摘要：振动台夹具是振动台上用以固定被试件的关键结构件，首先应满足被试件的安装要求，其次为了能在试验频率范围内对被试件开展振动试验，其结构模态应有尽量高的固有频率，并避免与试件发生共振耦合。在设计夹具的基础上，分析其前十阶的固有模态，并根据其固有频率的高低改进了结构，使得模态符合试验要求。

关键词：振动台；夹具；模态；固有频率

中图分类号：TH16；U467文献标识码：A

0引言

对于大型振动台夹具，首先要确定出对夹具的固有频率和振型的要求，夹具设计完成后应对固有频率进行校验，根据验算结果对夹具进行改进设计并最终使夹具满足设计要求［1］。在振动环境中，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合［2］。本文据此进行了大型振动台夹具的结构改进。

据上所述，设计夹具时需计算结构的固有频率。建立结构的力学模型时可将产品合理简化为杆、梁、板、壳等构件的组合，理论上应将这些构件作为多自由度系统进行动力学分析，它们各自有其固有频率，夹具整体的固有频率与各组成构件的固有频率有一定的数学关系，准确的数值可通过理论计算和试验验证的方法获得［3］。对于大型复杂夹具，理论计算过于繁琐，直接对样品进行振动试验验证增大了设计成本。现在，工程上广泛应用有限元分析软件对构件进行动力学分析，这是精确、实用的技术分析方法之一。

本文采用ANSYS有限元软件对振动台夹具进行模态分析以解得振动台夹具的固有频率，分析其合理性并进行结构改进。

1大型振动台夹具的模态分析

1．1振动台夹具

振动台夹具的作用主要包括：①按照试验要求，可靠地装夹试件；②实现在振动台面上的安装；③将振动台的运动和能量不失真地传递到试件上，避免出现共振和隔振现象。在设计振动夹具时应选用刚度大、阻尼大的材料；还应在要求的重量范围内尽量减轻结构质量以降低轴向共振频率；并且使夹具的重心、试件的重心、激振力的中心这三个点在一条直线上，以避免引起振动台面的不平衡。最终使结构的基频达到设计要求［3－4］。

1．2初始结构的模态分析

根据振动台夹具的设计要求确定设计结构后，利用ANSYS软件进行模态分析，计算出结构的固有频率和相应振型。

收稿日期：2011－03－14

作者简介：孙晓洁（1989－），女，硕士研究生，主要研究方向为车辆工程。

第5期孙晓洁，陈俊，王安柱，等：大型振动台夹具的模态分析及结构改进57

该振动台结构夹具初始设计的模型见图1，材料选用Q235钢，弹性模量E=212GPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．86ˑ10kg/m3。

图1初始设计结构模型图

利用ANSYS对夹具模型划分网格，网格单元采用四面体十节点单元，输出节点数为29378，单元数为13931，施加约束为底座固定，进行0 500Hz的模态分析，提取夹具前十阶的固有频率为45．775、65．725、85．876、121．41、178．48、178．93、238．18、271．51、278．30、312．43（单位Hz）。第一阶的变形图、应力图、应变图如图2所示。

图2振动台夹具第一阶的变形图、应力图、应变图

振动方向为前后方向，与实验时加载的唯一方向无关。第一阶固有频率仅为45．775Hz，频率低，不满足工作要求，需要提高结构的第一阶固有频率。

58苏州大学学报（工科版）第31卷2夹具结构改进设计

2．1结构改进

初始设计夹具的一阶固有频率低，根据夹具的基频需达到试件基频的3倍的要求，需要提高结构的固有频率。根据以往工作者的经验，可以通过改变筋板和筋条来提高结构的固有频率，改进结构如图3所示。

图3加筋板的结构图

利用ANSYS对改进后夹具进行同样条件下的模态分析，求得前十阶的固有频率为52．936、76．392、110．34、139．82、171．28、210．79、240．75、275．54、296．44、331．05（单位Hz）。第一阶的变形图、应力图、应变图如图4所示。

图4改进后的振动台夹具第一阶变形图、应力图、应变图

从振型图中可以看出，改进后的夹具变形方向基本一致，变形程度也接近。通过筋板和筋条的改进设计，结构的低阶固有频率略有提高，第一阶频率为52．936Hz，效果不大，仍需进行结构上的改进以提高结构的基频。

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2．2减轻质量

根据夹具质量对共振频率的影响，要提高结构的固有频率，可以减轻结构的质量［5］。从生产工艺方面考虑，该振动台夹具采用焊接技术，制造方便，成本低。初始设计中上框架结构都是实心的，在实际工作中空心的结构就能满足工作要求。因此可将上框架结构设计成空心的结构。目前的焊接技术已经达到很高的水平，焊接均匀且很牢固。夹具结构如图5所示。

图5空心夹具结构图

相同条件下，减轻质量后的结构的前十阶频率为73．43、109．54、189．31、195．37、237．65、238．78、310．16、342．19、370．57、376．41（单位Hz），相应振型的变形方向和变形程度与上述两种设计相似。结构的低阶频率得到很大提高。在实际运用过程中为了进一步降低谐振现象，可往钢管内填充泡沫等材料以增加阻尼。

3结束语

根据振动试验的要求设计了振动台夹具，并进行了模态分析；根据模态分析的结果通过增加筋板和减轻质量改进了设计，继续进行模态分析，改善了结构的动态性能。

参考文献

［1］沈颖凡，刘士华．某型机载红外仪振动夹具设计［J］．科技技术与工程，2008，8（22）：6106－6109．

［2］计恩荣，陈闯．振动试验夹具设计要求及验证方法［J］．混合微电子技术，2009，20（3）：43－46．

［3］胡志强．随机振动试验应用技术［M］．北京：中国计量出版社，1996：108－112．

［4］钟继根，王东升，任万发，等．某导弹发动机振动试验夹具设计［J］．振动工程学报，2004，17（s）：728－730．

［5］胡波，何林．振动试验夹具的设计［J］．可靠性设计与工艺控制，2005，23（3）：45－48．

The Modal Analysis and Structure-Improving of Vibration Test Fixture

Sun Xiaojie1，Chen Jun2，Wang Anzhu1，Zhu Zhongkui1

（1．School of Urban Rail Transportation，Soochow University，Suzhou215021；2．Suzhou Dongling Vibration Test Instrument Co．，LTD，Suzhou215011）

Abstract：Vibration fixture is used to fix the specimens on vibration bench．The vibration fixture should meet the in-stallation requirements of specimen；moreover，its natural frequency should be as high as possible and its structure should avoid resonance coupling with the specimens in order to conduct vibration test on specimens within the test frequency range．In this paper，based on the structure design of the fixture，the top ten bands of natural mode are analyzed，and according to the level of the natural frequency，the natural frequency of the bench is improved by opti-mizing the structural，so as to meet the test requirements for the bench．

Key Words：vibration；fixture；modal analysis；natural frequency