基于Pro/Mechanica的T型工装优化设计分析

王 镇，陈顺利，赵学琴

(1.北京航天光华电子技术有限公司，北京 100854；2.北京北仪创新真空技术有限责任公司 新品研发部 研发中心，北京 102600)

基于Pro/Mechanica的T型工装优化设计分析

王 镇1，陈顺利1，赵学琴2

(1.北京航天光华电子技术有限公司，北京 100854；2.北京北仪创新真空技术有限责任公司 新品研发部 研发中心，北京 102600)

对于不断发展中的产品，其使用环境也在发生变化，这对产品的力学环境试验能力提出了更高的要求。为了保障产品顺利完成力学试验验证，需要对工装设计进行严格把关。通过应用Pro/Mechanica对某T型工装的结构设计进行有限元分析、设计参数模态分析和灵敏度分析，并建立以1阶固有频率为目标函数，工装质量为约束的优化数学模型，对参数尺寸进行了最优计算。通过这一优化设计分析，在满足振动技术要求的同时，把产品设计与三维仿真及有限元分析系统有效地结合起来，从而实现了工装设计的高效率、低成本和自动化要求。

Pro/E；Mechanica；T型；工装；优化设计

设备在使用和运输过程中可能遭受各种振动、冲击和加速度载荷。为了对产品设计进行验证，就需要在环境例行实验室对各单板或整机进行正弦、随机、 离心以及冲击等多种形式的力学试验。试验中由于各产品安装接口不同、结构形式各异，需要利用振动工装连接振动台和待振产品， 并将振动台上的振动量级传递到待振产品上。试验过程中，通过翻转振动台或工装可以实现技术要求的不同方向振动试验。由于振动工装精度较高、易控制、设计和加工成本低，因此作为一种工艺装备，在振动试验中得到较为普遍的应用[1]。

本文以振动工装设计中常用的T型结构为研究对象，在Pro/E集成模式下运用Pro/Mechanica对结构进行有限元分析，得出其固有频率，并根据灵敏度和优化计算结果对结构的可靠性进行验证，改善原设计参数的不合理地方。

1 T型工装设计及载荷约束定义

1.1 工装设计要求

振动工装的设计需具备2个输入条件：1)待振产品的振动条件(包括振动量级、振动方向和振动时间)以及连接方式；2)实验室中各种振动台的推力大小、振动方向、台面尺寸和安装形式。振动工装的设计过程需要综合考虑多方面要求[2]。

1)材料要求。振动工装要求材料刚度大、阻尼大，同时为降低振动台的负载，选取材料的质量应尽量小，通常选用铝等合金材料。

2)结构要求。工装几何结构应尽量采用整体对称式结构，并尽量保证产品安装后合成质心和振动台振动中心重合，且合成质心应尽可能低。

3)连接要求。工装与振动台面应有良好的接触刚度，以保证工装连接可靠性。

4)频率要求。工装固有频率应尽可能远离试验频率范围，以避免引起整体共振。

5)加工性。振动工装应满足良好的工艺要求，在满足功能的前提下，减少复杂结构，综合考虑加工周期和成本控制。

6)操作性。工装的装配、拆卸应尽量简便，尽可能实现模块化。

T型工装作为振动工装的重要结构形式，是多年工装设计经验总结出来的常用工装形式。在振动试验中，常用于整机产品的试验，通过安装孔的变换，可以在水平滑台实现3个方向的振动试验。然而T型工装相比于其他工装结构形式，垂向尺寸大，虽然通过加强筋的加固，但整体质心偏高；因此，针对T型工装优化设计具有一定的典型意义。

1.2 几何模型建立

根据某产品的技术要求，需要研制一款应用于该产品的整机振动试验工装。产品为整机箱体结构，两侧带有安装支脚，外形尺寸为254 mm×230 mm×125 mm，产品通过4个支脚安装在相应位置。结构模型如图1所示。

图1 产品整机结构模型

工装设计以Pro/E为模型设计软件，以Pro/Mechanica为分析平台，对工装进行模态分析、灵敏度分析和优化设计[3-4]。在设计过程中，需要针对产品分技术条件要求，尽可能模拟整机实际装配形式，充分考虑振动量级及方向性。最终确定工装采用T型结构(见图2)，待振产品通过立板安装孔固定，同时立板背面焊接4个加强筋并增加穿杆螺栓，保证整体强度。由于该类型工装方案质心较高，因此需要通过Mechanica进一步论证及优化。

图2 建立几何结构模型

1.3 工装材料属性定义

根据工装设计要求，T型工装采用2A12-H112铝板材料。在Mechanica分析模块下，定义模型材料密度ρ=2.7×103kg/m3，杨氏模量E=70 GPa，泊松比μ=0.33，抗拉强度Rm=40～50 MPa，伸长率A=0.5～0.7，折弯Y因子=0.5。

1.4 约束条件定义

工装与振动台通过8个M12内六角螺钉(GB/T 70—2000)固定联接。选取工装底部螺栓孔内壁作为销钉约束，分别限制角度约束和轴约束以固定T型工装。

为增加工装整体强度，立板设置2个对称穿杆螺栓，从立板顶端连接至振动台面。为简化计算，定义螺栓为销钉联接，并限制其角度约束和轴向约束。定义后的工装约束条件如图3所示。

图3 定义约束及载荷

2 工装结构模态分析及灵敏度分析

2.1 模态分析

模态分析是优化分析的基础，其待求参数为固有频率和振型，关键在于求解出一阶固有频率。产品随机振动的频率一般为20～2 000 Hz，如果一阶固有频率太低，则系统在振动过程中会产生共振，需要返回建模阶段进行修改和优化模型；若固有频率过高，则会使工装结构质量无谓增加。

在Pro/Mechanica模块下，系统将自动进行网格划分，并可以实现建立模型到分析模型的无缝对接，因此建模后可直接进行标准模态分析。工装一阶～四阶的振型图如图4所示。

通过分析，得到该工装的各阶固有频率如图5所示。由图5可知，T型振动工装的一阶固有频率为1 391.45 Hz，二阶固有频率为1 408.82 Hz，三阶固有频率为1 438.5 Hz，四阶固有频率为2 532.1 Hz，工装固有频率偏低。为提高振动工装的可靠性，需合理确定结构尺寸参数，提高工装固有频率值。

2.2 全局灵敏度分析

全局灵敏度分析是确定参数对模型某一性能的整体影响情况，尤其对于参数变化可能引起整体性能突变，通过全局灵敏度分析就可以直观地表征。选取模型1个或多个关注参数，设定各参数的变化范围，并通过图表形式输出研究目标随关注参数的变化情况。

设计参数作为模型的变量，可以直接或间接影响目标分析。通常可以选取尺寸参数或者模型特征作为关注参数。设定模型参数及其变化范围见表1。

图4 T型工装一阶～四阶振型结果

图5 模态分析各阶固有频率

表1设计参数表

尺寸名称变量代号最小值/mm设计值/mm最大值/mm底板厚度δd356102030底板宽度Yd398100176200立板斜高Hd364200230300筋板斜高hd420202730

对设计参数d356、d398、d364和d420分别进行全局灵敏度分析，输出各设计参数在变化范围内对工装固有频率的影响曲线图(见图6)。

3 优化设计分析

优化设计是指通过指定研究目标、约束条件和设计参数等，在参数指定范围内求出满足研究目标和约束条件的最佳解决方案。在进行工装优化设计中，应以满足约束为前提，尽可能使工装达到质量小、体积小、尺寸合理以及力学方面最大优化等目标条件。

3.1 最优化设计模型

通常，一般约束优化设计的数学模型可归结为最优化设计问题，即求解一个n维变量(在约束范围内)，使得目标函数值达到最小：

3.2 目标函数及优化结果

根据设计要求选取结构固有频率为目标函数，同时在满足质量要求(≤15 kg)的前提下将关注变量作为研究对象。

依据上述数学模型建立优化设计任务并运行，通过插值迭代计算得出一组使目标函数最优化且满足约束条件的变量值(见表2)。通过优化设计，工装1阶固有频率相较于之前设计从1 391.45 Hz提高为1 465.87 Hz，该频率值已远离振动试验中工装的主工作频率，因此不会引起系统共振；同时整体工装质量符合目标设定要求。优化结果报告及优化后结构振型频率如图7所示。

表2 设计变量优化结果

图7 优化结果报告及优化后结构振型频率

4 结语

本文对T型结构振动工装进行了有限元分析及优化设计，在整体结构的约束条件下，优化了结构尺寸参数，提高了其使用可靠性，并最终形成了结构设计方案(见图8)。

图8 T型振动工装结构最终优化方案

振动工装的设计是综合振动条件、振动台性能和结构形式等多种因素的设计过程，应综合考虑才能提高结构设计合理性。T型振动工装结构形式简单，工艺性和经济性良好，操作简便，对整机类试验产品振动工装设计有一定的指导意义。设计中应用Pro/Mechanica软件对虚拟工装进行结构有限元分析及优化设计，可以有效提高产品设计的效率，提高试验验证的可靠性，节约设计生产成本，对设计生产有着重要的参考借鉴意义。

[1] 郑华山,陈顺利.IF转换器振动工装的设计及力学仿真[J].航天制造技术，2013(4)：59-62.

[2] 孙军艳．3向振动工装的设计与分析[J]．起重运输机械，2009(9)：73-95.

[3] 赵经文,王宏钎.结构有限元分析[M].2版.北京：科学出版社，2001.

[4] 林龙震.Pro/Mechanica Wildfire 3.0/4.0结构/热力分析[M].北京:电子工业出版社，2008.

[5] 孙靖民,梁迎春.机械优化设计[M].4版.北京:机械工业出版社，2006.

责任编辑郑练

StructureOptimizationDesignoftheTTypeTestFixturebasedonPro/Mechanica

WANG Zhen1, CHEN Shunli1, ZHAO Xueqin2

(1.Beijing Aerospace GuangHua Electronics Technologies Limited Corporation, Beijing 100854, China;2.Beijing Beiyi Innovation Vacuum Technology CO., LTD., Beijing 102600, China)

According to the development of products, the using environment is also changing, the testing ability of mechanical environmental is needing improving. In order to accomplish the mechanics experiment, we need to design a better fixture. This paper principally introduces the Finite Element Analysis, Sensitivity Analysis and Optimal Design for mechanical structure of the T type test fixture based on Pro/Mechanica software. Also it sets the first order natural frequency for the beam, its optimal mathematical models of quality margin restriction, and the optimal design of its dimension parameters.

Pro/E, Mechanica, T type, test fixture, optimization design

TH 122

：A

王镇(1988-)，男，结构工程师，主要从事机械振动工装及集成设备结构设计等方面的研究。

2014-07-04