新型平坦度振动试验平台的开发及优化设计

汪红波

(浙江师范大学 先进材料成形技术研究所，浙江 金华 321019)

在产品的环境测试中，振动测试是诸多方式中最重要的一个环节。经过振动试验设备模拟相应环境测试后的产品，就能够准确地得到其振动特性[1]、可靠性及环境的要求等。而振动平台是振动测试所必需的，是否能够均匀地将振动频率[2]传输到测试物，平台的作用至关重要；因此平台的设计是需要设计者在设计过程中不断优化而得到的。

本文运用了CAD与EMA虚拟技术相结合的方法，对振动平台的结构进行了创新型的设计开发，并根据设计的经验与软件分析，建立了新型的平台开发流程，以作为今后技术研发的基础。

1 模型建立

参照企业现有的振动试验平台(见图1)，运用三维CAD软件设计新型平台的结构。设计原则是平台的尺寸、质量、体积不得大于原始设计。设计时，通过对外观结构进行调整，最终得到最佳的结构形式，然后对结构各尺寸参数进行最佳化的分析。

图1 原始振动试验平台

考虑到平台平坦度落差最大的是平台的中心与4个角落，所以四角相关的模态是影响平坦度最大的因素，新型振动平台的设计应考虑减少四角振幅位移量来提高平台的平坦度性能，以达到提升平台振动测试的可控性[3]；因此，在设计时，应以平台四角的结构为主要加强部分来抑制四角振幅量，以获得最佳的平台。新型平台的设计主要考虑具体包括如下3个方面。

1)去除原始设计的顶面肋板。考虑轻量化的目的，先去除顶面小肋板，来探讨小肋板对平台平坦度的影响。

2)四角侧裙加高。为了降低四角振型的振幅，增加4个角落相对的刚度，考虑通过结构变更来抑制四角的位移量，提高平台的平坦度性能及可控性。

3)放射状肋骨。由此来加强顶面下方接近角落区域的刚度，用增加此区域的肋板来达到降低平台响应振幅的目标。

综合上述原则与条件，应用三维UG软件，设计出的新型振动试验平台如图2所示。

图2 新型振动试验平台

2 模型验证

将设计完成的平台3D模型，运用有限元分析软件建构有限元模型，先进行自由边界模态分析，比较新型平台与原始平台的模态参数，来确认新型平台模型的合理性；然后再进行固定边界的模态分析，确认套用相同边界设定的可行性。

2.1 自由边界模型验证

模型验证是为了确认由理论分析模拟建构的分析模型是否等效于实际生产的结构，以便应用电脑软件来进行后续的设计，如模型修整、载荷估值及响应预测等参数。首先由CAD软件设计平台模型，并将三维图形导入有限元分析软件中进行理论模态分析，来求得平台的振动特性；然后进行试验模态分析，求得平台在自由边界下的模态参数，通过比较模态参数来验证平台有限元模型的合理性及正确性。自由边界有限元模型如图3所示。

图3 自由边界有限元模型

自由边界的自然频率比较表见表1。表1中，R为刚体模态，F为有限元分析的弹性模态，E为试验分析的模态。在自然频率对比中，自由边界会有6个方向的刚体模态，包括3个轴向位移与绕3个轴的旋转模态。从表1可以看出，除了试验E03对应的F03与F05以及试验E04对应的F06，这2组模态的频率误差>10%以外，其余的低于±10%，显示在频率上的对比非常好。

表1 平台自由边界的自然频率比较表

2.2 固定边界模型验证

由于在实际应用过程中平台是在振动试验设备上的，因此，为了针对大型测试物的振动测试，应用螺栓将平台固定在软件设定的固定台面上[4]。在有限元分析过程中，使用在自由边界模型验证中已经验证合格的平台有限元模型，要考虑平台底部螺栓与接触面的边界效应，这样才能够完整地模拟实际状态的有限元模型(见图4)，才能得到最接近实际状态下的振动特性。同时也要进行EMA和FEA的比较，求得平台的固定边界下的模态参数，更加进一步验证平台有限元分析模型的完整性。

图4 固定边界有限元模型

平台自由固定边界的自然频率比较表见表2。从表2可以看出，除试验E09对应的理论F07、E10对应的理论F11及E12对应的理论F15的频率误差约为20%以外，其余大部分皆在±12%，在机械设计中，这个偏差在允许的范围内，显示在频率上的比对可以接受。

表2 平台固定边界的自然频率比较表

2.3 平坦度性能验证

平坦度性能是定义品质的指标，是评判振动试验平台优劣的参考依据。把上述验证的完整模型，通过简谐相应分析，求得平台测试面的频率响应函数，再由所建立的平坦度评估模式[5]，获得理论预测平台的平坦度性能指标。试验仪器现场如图5所示。通过振动试验设备输入激振频谱，同时在平台测试面上测得频域响应函数，得到试验的平坦度性能指标；再将理论值与试验值的平坦度结果进行比较，就可以更加确定理论有限元模型模拟的合理性。平坦度结果可以作为后续新平台设计的参考依据。

图5 试验仪器现场

表3是2种设计预测控制加速度[6]在2 000 Hz内平坦度的比较。四角及中间部分平坦度有限元仿真分析如图6所示。由表3和图6可知，平坦度分布非常相似，在四边平坦度值较大，四角及中间部分为平坦度最佳区域。可见新型测试平台满足设计要求[7-8]。

表3 2种设计预测控制加速度在2 000 Hz内在不同点平坦度的比较

图6 四角及中间部分平坦度有限元仿真分析

3 结语

本文主要借助CAD三维软件及有限元分析软件开发设计了新型平坦度振动[9]测试垂直辅助平台，建立了一套设计开发验证流程，并定义了平坦度的性能指标，借助性能指标评估原始设计平台结构的优劣，获得了最佳的设计平台。今后套用此分析流程进行设计，可以获得平坦度最佳、性能更优的创新型振动测试辅助平台[10]。