鱼雷舱段振动夹具动态特性仿真分析

王红瑞, 曹小娟, 尹韶平, 张志民, 单志雄



鱼雷舱段振动夹具动态特性仿真分析

王红瑞, 曹小娟, 尹韶平, 张志民, 单志雄

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

夹具作为鱼雷舱段振动试验系统中不可或缺的连接部件, 其动态特性直接影响振动试验的测试结果。文中针对3种鱼雷舱段振动试验夹具设计方案, 开展振动夹具动态特性的理论分析和有限元仿真, 通过数值计算其振动固有频率、振型和振动响应等, 对比分析不同振动夹具设计方案的动态性能优劣，最终确定满足鱼雷舱段振动试验传递性要求的夹具。并得出以下结论: 1) 夹具的刚度、固有频率及阻尼对其振动传递特性的影响最为突出; 2) 整体铸造成型的夹具比焊接成型和螺栓连接结构传递特性更好; 3) 基于动态特性设计的夹具能更好地保证振动能量不失真的传递。

鱼雷舱段; 振动试验; 夹具; 动态特性

0 引言

振动试验作为评价鱼雷力学环境适应能力的最主要手段之一, 不仅能够检验鱼雷结构在实际使用过程中能否满足要求, 同时暴露鱼雷的设计缺陷, 为鱼雷结构优化提供数据支持。振动夹具的功能是将振动台的运动和能量传递给试验件, 其动态特性直接影响着振动试验结果。振动试验中希望夹具传递到试验件的振动能量不失真, 夹具的结构模态参数(固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度、阻尼比)是系统振动特性的重要表征, 是改善结构动态特性的重要参数[1]。如果夹具设计不合适, 就可能出现“欠试验”或“过试验”。因此, 开展振动试验夹具动态特性分析研究具有重要意义。

传统夹具设计主要采用经验设计法和邓柯莱法, 这2种方法设计出的夹具很难确保将振动台的运动不失真地传递给试件[2]。目前鱼雷振动夹具设计大多基于经验设计法, 主要考虑的是夹具与振动台的接口设计, 当夹具制造出来后通过试验验证夹具设计的合理性, 这种方法设计的夹具往往造成大量的浪费, 而基于动态特性分析的振动夹具设计还未得到有效应用。

随着现代结构动态设计方法的发展, 基于有限元分析的夹具设计将是一个快速、高效的设计方法[3]。当前大多有关夹具的设计仿真分析主要是分析夹具的固有频率, 夹具传递特性则采用试验的方法来分析[4-7], 而基于有限元的夹具传递特性仿真分析研究较少。文中依据鱼雷舱段振动试验要求, 基于模态分析理论和振动传递理论, 通过有限元建模与仿真对比分析3种鱼雷舱段振动试验夹具动态特性, 确定满足振动试验要求的夹具结构。

1 夹具模态分析及振动传递特性

1.1 模态分析

夹具的振动特性可以用模态来描述, 研究其振动特性时首先进行模态分析, 即通过计算或试验的方法, 确定用来描述结构系统特性的固有频率、阻尼比和振型等模态参数[1,8-9]。

采用有限元分析法, 将振动夹具这样一个弹性连续体的振动问题, 离散为一个以有限的节点位移为广义坐标的多自由度系统的振动问题。由此, 振动夹具系统的运动微分方程可以表示为[10]

式(1)的解可以假设为如下形式

将坐标变换式(7)代入式(1), 并考虑特征矢量的正交性, 得到一组解耦方程

代入初始条件, 求解可得夹具振动规律为

1.2 传递特性

其传递率(动力放大系数)为

2 夹具振动特性分析

2.1 振动夹具一般要求

振动夹具的1阶固有频率应高于试验最高频率, 对于大型夹具, 其1阶固有频率应高于参试产品1阶固有频率的3~5倍[12-14], 才能有效地防止夹具与试件的共振耦合。此外, 夹具和试验件的合成重心尽可能和振动台激振器轴线一致, 并且重心要尽量靠近激振器[15]。

夹具的传递特性和试验件的质量大小相关, 对于质量在25~250 kg的机电设备, 其夹具的传递特性应满足表1要求[16]。

表1 夹具动力学特性要求

2.2 振动夹具模态分析

文中针对装夹接口适合鱼雷舱段(1阶固有频率300 Hz左右, 试验频率10~2000 Hz)的振动试验要求的3种夹具方案, 开展夹具模态分析, 对比分析不同结构夹具的模态频率。文中3种夹具的设计异同点(材料、结构、质量)对比如表2所示。

表2 Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#夹具异同点

方案1: Ⅰ#夹具, 由压环、支座、底板3部分组成, 如图2所示。支座由焊接成型, 压环与支座、支座与底板之间通过螺栓连接, 模态分析结果显示此夹具的1阶固有频率为666.1 Hz, 对应振型图如图3;向1阶固有频率为1 035.2 Hz, 对应振型图如图4。

由振型图3可以看出, Ⅰ#夹具在第1阶固有频率时已发生扭转变形, 这是夹具刚度差的表现, 且夹具1阶固有频率不满足高于试件固有频率的3~5倍要求, 无法满足舱段振动试验需要。

方案2: Ⅱ#夹具为在Ⅰ#夹具基础上增加支座刚度, 降低其重心, 两支座与底板采用焊接成型, 结构如图5所示。

方案3: Ⅲ#夹具为在Ⅱ#夹具基础上, 在支座两端增加肋板以提高其局部刚度, 采用整体铸造成型, 结构如图6所示。

Ⅱ#、Ⅲ#夹具有限元分析网格划分以六面体单元为主, 局部采用五面体单元, 网格尺寸7 mm, 为了模拟夹具实际使用环境, 底板施加全约束, 在Abaqus软件中对夹具进行模态分析, 夹具Ⅱ#、Ⅲ#的1阶振型图如图7、图8所示。表3为夹具Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#的1阶固有频率。

图3 Ⅰ#夹具1阶振型图

图4 Ⅰ#夹具Y向1阶振型图

图5 Ⅱ#夹具结构示意图

图6 Ⅲ#夹具结构示意图

图7 Ⅱ#夹具1阶振型图

表3 Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#夹具1阶固有频率

2.3 振动夹具随机振动仿真

为了进一步确定3种夹具的优劣, 在模态分析的基础上, 文中开展夹具随机振动仿真分析。

夹具随机振动试验施加的外部激励条件如图9所示, 随机振动试验方向如图10中向所示。

随机振动仿真分析载荷输入为加速度功率谱密度(power spectral density, PSD)曲线, 采用BASE MOTION基础约束加载, 计算频率范围为1~2 000 Hz, 模态阻尼取0.02。为了对比不同结构夹具对传递特性的影响, 分别在3种夹具上选取与试件接触部位及远离试件部位作为监测点(如图11所示), 分析夹具向振动传递特性。

通过随机振动仿真得到3种夹具上监测点的响应曲线如图12~图15所示, 响应点总均方根值及传递率见表4。

图12 Ⅰ#夹具A、C点响应PSD曲线

图13 Ⅰ#夹具B点响应PSD曲线

图14 Ⅱ#夹具3点响应PSD曲线

表4 夹具响应总均方根值和传递率

3 仿真结果与分析

分析图12~图15, 表3及表4可得如下结论。

1) Ⅰ#夹具在其向1阶固有频率(1 035.2 Hz)附近出现峰值, A、C 2点响应趋势一致, 传递存在局部放大; B点处发生共振, 传递放大严重, 容易发生过试验, 由于夹具各点间响应差别较大, 此夹具设计不满足振动试验要求。

2) Ⅱ#夹具的1阶固有频率与Ⅰ#夹具相比提高到1 745.4 Hz, 满足夹具1阶固有频率高于试验件1阶固有频率的3~5倍要求, 但在试验频率范围内, 共振仍无法避免。Ⅱ#夹具中A、C 2点响应曲线基本一致, 与输入激励差别较小, 放大系数接近1, 传递特性较好; B点传递从500 Hz开始逐步放大, 放大系数为3.54, 这是由于夹具局部刚度较差导致, 且夹具各点间响应不一致, 因此, Ⅱ#夹具也不满足振动试验要求。

3) 增加夹具的局部刚度后, Ⅲ#夹具的1阶固有频率提高到2 457.5 Hz, 满足夹具1阶固有频率高于试验件1阶固有频率的3~5倍要求, 且高于试验最高频率2 000 Hz。Ⅲ#夹具中A、B、C 3点响应在试验频率(10~2 000 Hz)内与输入激励基本一致, 放大系数接近1, 传递特性好, 与Ⅱ#相比, Ⅲ#夹具B点处传递得到很好的改善, 无局部放大情况, 且其传递特性满足表1要求, 因此, Ⅲ#夹具可用于舱段随机振动试验。

由分析结果可得, 降低夹具重心位置、增加刚度能够提高夹具的固有频率; 对于鱼雷舱段试验夹具, 采用相同结构夹具时, 夹具刚度越大, 固有频率越高, 传递特性越好。

4 结束语

文中从鱼雷舱段振动试验要求出发, 通过理论分析和有限元仿真, 基于3种振动夹具结构方案, 对比分析夹具的动态特性, 最终确定满足鱼雷舱段振动试验传递性要求的夹具。从文中分析得到以下结论:

1) 夹具的刚度、固有频率及阻尼对其振动传递特性的影响最为突出。

2) 整体铸造成型的夹具比焊接成型和螺栓连接结构传递特性更好。

3) 基于动态特性设计的夹具能更好地保证振动能量不失真的传递。

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Simulation Analysis on Dynamic Characteristics of Fixture for Torpedo Cabin Vibration Test

WANG Hong-rui, CAO Xiao-juan, YIN Shao-ping, ZHANG Zhi-min, SHAN Zhi-xiong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The dynamic characteristics of the fixture directly affect the measurement in the vibration test of torpedo cabin.In this paper, theoretical analysis and numerical calculations of dynamic characteristics are carried out for three design schemes of fixture for torpedo cabin vibration test.The natural frequencies, vibration modes and vibration responses of the three fixture designs are calculated numerically, their dynamic performances are compared and analyzed to finally determine the right fixture, which can meet the transitivity requirement of vibration test of torpedo cabin.Conclusions are drawn as follows: 1) the stiffness, natural frequency and damping of these fixtures have the most prominent influences on their vibration transfer characteristics; 2) the monoblock cast fixture is better in the transitivity than the welded or the bolt-connected one; 3) the fixture designed on the basis of dynamic characteristics can better ensure the transmission of vibration energy without distortion.

torpedo cabin; vibration test; fixture; dynamic characteristic

TJ630.1; O329

A

2096-3920(2018)06-0549-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.007

2018-05-18;

2018-06-13.

王红瑞(1985-), 男, 硕士, 主要研究方向为武器系统与运用工程.

王红瑞, 曹小娟, 尹韶平, 等.鱼雷舱段振动夹具动态特性仿真分析[J].水下无人系统学报, 2018, 26(6): 549-554.

(责任编辑: 许 妍)