冲击试验台台面的固有频率及强度分析_胡俊毅

图 7 位移时程响应( Z 方向 mm) 图 8 应力时程响应( x 方向, 单 位 Pa)
上表应力值均已接近需用应力 175 M Pa。 在脉冲尖点处, 结构应力、位移处于最大状态, 图 9 为该时刻结构应力状态。 ( 颜色越深意味着较大的应力值) 。
图 6 冲击加速度波形
在进行瞬态分析时, 采用完全法求解, 负载与台 面冲击时, 有效接触面积按 100 平方厘米计算, 布置 情况按最不利位置 布置在台面中 央附近。最 大位 移、应力均发生在台面中央。位移、应力时程曲线如 图 7~ 图 8 所示:
重新选取螺钉位置, 布置于筋板附近, 连接面积
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姬战国, 等: 使用高频疲劳试验机检测材料的疲劳寿命
性能方面具有较大的实际意义。
参考文献
[ 1] 什科利尼克 ( 著) , 陈玉坤 ( 译) , 疲劳试 验方法 手册; 机 械工业出版社; 1983.
[ 2] 徐灏, 疲劳强度设计, 机械工业出版社; 1981.
No 3. 2008
工程与试验
September 2008
冲击试验台台面的固有频率及强度分析
胡俊毅, 陈博博, 冯 健, 闫有森
( 西安捷盛电子技术有限责任公司, 陕西 西安 710119)
摘 要: 台面是冲击试验台的重要部件, 它的强度及动 态性能 直接影响 到冲击 试验台 的设备 能力及 指标。本文 结
证波形失真小于 10% 的台面最小频率 370 H z, 可满 足波形失真要求。
3 台面强度校核和动力响应分析
振型: ( 深色代表较大的振型位移)
图 2 台面第一阶振型
2. 2 试验结果 脉宽为 6 m s 的冲击激励包括的主要频率成分
都远离台面的固有频率 成分, 满足 冲击试验要求。 这对进行瞬态动力响应求解, 动强度校核也是有利
( 1) 静强度分析 纵边方向导杆约束, 3 吨负载作用在台面中心 时强度校核, 按四个螺钉、四个集中力处理 从表 2 看出, 在非冲击状态下, 应力值远远小于 许用应力值 175 M pa
#5#
正应力 最小值( M Pa) 最大值( M Pa)
表 2 静强度分析结果
X 方向
Y 方向
- 2. 97
试验技术与试验机, 2006, 46( 1)
( 上接第 6 页)
增大为 200 cm 2。此时在脉宽尖点处, 结构对应最 大应力状态见图 10。最大应力值见表 4。
最大应力值远远小于许用应力 175M pa。 从上表可以看出负载与台面的连接位置和螺钉 数量, 剧烈影响着结构的响应和强度。 2 节点 x 向应力时程响应曲线和 401 节点 Z 向 应力时程响应曲线见图 11、图 12。
台面受到冲击时, 近似自由边界条件, 因此计算 时采用自由边界条件。
台面结构主要由上下平板和横纵肋板构成, 结
[ 收稿日期] 2008- 05- 15 [ 作者简介] 胡俊毅( 1980- ) , 男, 助理工程师, 学士, 研究方向: 冲击振动及恒加速度试验及其设备。
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对本冲击试验系统而言, 最恶劣的环境条件为 D = 6 ms。当 D= 6 ms 时, 要保证工作台面产生的波形 不失真, 工作台面的固有周期应小于0. 000 6 s, 工作 台面的固有频率应大于 1 667 H z。要保证波形失真 小于 10% , 工作台面的固有周期应小于0. 002 7 s, 工 作台面的固有频率应大于 370 Hz。实际应用中, 要 保证工作台面的固有频率大于 1 667 H z 是十分困难 的, 因此只要保证工作台面的固有频率大于 370 H z, 在工程应用中可以满足需求。
合模 态分析和有限元理论计算, 对冲击试验台台面的固有 频率及动力强度进行研究及 分析, 为 设计提供 依据, 并 应
用于生产实践。
关键词: 台面; 固有频率; 强度; 动力响应
中图分类号: T H 87
文献标识码: B
Inherent Frequency and Intensity Analysis for Carriage of Shock Tester
其他方向应力时程响应曲线类似, 台面中央应 力值最大。
表 3 螺钉处应力
正应力( M Pa) X 方向
Y 方向
Z 方向
2 节点( 螺钉处) 173. 7
155. 9
1 18
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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图 9 结构应力状态
缓冲垫、螺钉处, 即台面与缓冲垫碰撞处, 台面 与负载连接处应力值最大、最危险。
尽管如此, 由于计算时假设负载与台面的有效 接触面积为 100 cm2, 而且集中布置在圆孔周围, 是 很偏于保守校核的。
参考文献
[ 1] 屈维德. 机械振动手册. 北京: 机械工业出版社, 1992. [ 2] 力学环境试验技术. 陕西: 西北工业大学出版社, 2003. [ 3] 左鹤声, 彭玉莺. 振动试验模态分析. 北京: 中国铁道 出
版社, 1995.
#9#
图 3 台面第二阶振型
图 1 台面有限元模型
材料为 ZL 401。 计算参数为: 弹性模量 E 66. 4GP a; 泊松比0. 3; 密度 2 700 kg/ m3 。 单元 选 用 solid45 单 元, 模 态 分 析 采 用 分 块 Lanczos 方法。去除 6 个零频率值( 对应刚体 运动 形式) , 取前四阶模态值。计算结果如表 1。
阶数 1 2 3 4
表 1 台面模态频率
单位( H z)
频率
振型 描述
442. 39
沿对角 线扭振
583. 08
绕 Y 轴弯振
690. 20
绕 Y 轴弯振, X 轴扭振
721. 02 绕 X 轴扭振, 绕 Z 轴扭振
图 4 台面第三阶振型
图 5 台面第四阶振型
的, 说明结构设计是比较合理的。 台面的一阶固有频率为 442. 39 H z, 远大于保
台面承受冲击响应, 主要进行动强度校核。但 静强度分析对动强度分析也具有参考作用。动强度 校核按最不利设计要求的 100 个重力加速度, 最大 负载 3 吨作用下校核。动强度校核方法, 结构自重 1 吨, 负载通过螺钉与台面连接, 在短暂的碰撞过程 中, 认为负载通过螺钉对台面的冲击为最危险情况, 缓冲器近似认为台面的约束条件, 进行瞬态动力学 分析。
析其结构的动态特性, 为进一步改进提供依据。 缓冲垫提供脉宽为 6 ms 到 20 m s 的半正弦冲
击力, 冲击速度为 3. 5 m / s, 提供的加速度从 5 g 到
100 g 不等。脉冲力含 有不同的频率成分, 因此需 要对台面进行模态分析, 检验台面和脉冲力的频率 成分, 如果频率耦合程度强, 则需要修正台面结构设 计。
H u Junyi, Chen Bobo, F eng Jian, Yan Yousen ( X ipan J I E SH EN G E lectr on T echni c Co . , L td. , Shanx i X ipan 710119)
Abstract: Carr iag e is one of t he key component s of sho ck t est er . It s int ensit y and dynamic char act erist ics have a direct ef fect on t he capacit y and index of shock t est er. T he paper bring focus on the study o f a kind of carriag e. s int ensity and dynamic charact erist ics w ith com bination of mo del testing t heory and f init e element theory, pro vides t he support f or t he design and pr oved t o be co rr ect. Keywords: carr iag e; inher ent f requency; int ensity ; dy namic response
胡俊毅, 等: 冲击试验台台面的固有频率及强度分析
构复杂, 按照设计图纸, 采用 P ro/ E 准确建 立模型 后, 导入有限元通用计算软件 ANSYS 进行计算。
结构网格模型及坐标, 单元选用 solid45, 共划 分成 20 306 个节点, 83 521 个单元。
图 1 为台面有限元模型。图 2~ 图 5 为台面振 型。
- 1. 26
1. 46
2. 42
工程与试验
Z 方向 - 1. 8
4
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剪切应力 最小值( M pa) 最大值( M pa)
XY - 1. 2 1. 4
YZ - 1. 9 2. 0
XZ - 2. 3 2. 1
( 2) 动强度校核 台面结构有许多肋板加强结构承载能力, 在相 同负载情况下, 螺钉布置应均匀分布, 充分利用肋板 的加强作用, 这样能够承受更大的冲击载荷。 碰撞过程中, 负载台面接触位置, 面积的大小直 接确定着瞬态分析过程中载荷施加的方式与大小, 对结构强度校核具有重要意义。冲击力大小可近似 按有效接触面积均布。 冲击过程的脉冲力时程曲线按脉宽为 6 ms 的 半正弦波如图 6 描述, 冲击力幅值按负载获得 100 g 加速度的惯性力施加。
1 引言
本文基于对冲击试验台台面的固有频率及动力 强度的分析, 拟通过建立起台面的有限元模型, 运用 模态实验和有限元计算, 识别出台面的振型、固有频 率, 为冲击试验台台面基于有限元模拟设计提供一 定的依据。
2 冲击试验台面有限元仿真分析
2. 1 模态试验设计及过程 首先, 对已有台面样机进行了试验模态测量, 分
图 10 结构对应最大应力状 态
表 4 最大应力值
正应力( M Pa)
X 方向 Y 方向
2 节 点( 台面中心)
1. 53
1. 19
401 节点( 螺 钉)
35. 3
37. 6
Z 方向 0. 31 68. 7
图 11 2 节点 X 向应力时程响 应
图 12 401 节点 Z 向应力时程响应
4 结论
从上面的分析, 可以看出, 在同样的冲击荷载作 用下, 由于负载与台面的连接方式不同, 对结构强度 校核产生重要影响。最大应力值均发生在负载与台 面接触面附近。该台面在最恶劣的加载连接模式也 能够满足 200g 加速度强度校核要求。若在筋板附 近布置较多螺钉, 最大应力值仅为许用应力值的三 分之一。若冲击速度提高到 3. 5m/ s, 按照线性叠加 原理, 在这种连接模式下, 强度也能满足要求。
[ 3] A. S. K obayashi( 美) , 李鸿发( 译) , 断裂力学试验技术; 中国铁道出版社; 1987.
[ 4] 徐涛, 数值计算方法, 吉林科学技术出版社; 1998. [ 5] 李庆扬, 易大义, 王能超, 现代数值分析; 高等教育出 版
社; 1995 [ 6] 李跃光1 国内高频 疲劳试验机技术现状及其 发展[ J]1