基于固有频率提升的车载多媒体振动夹具有限元设计

徐浩

摘要：为了真实地体现车载多媒体系统的振动性能，需要振动夹具将振动台的输入能量尽可能不失真的传递给测试件，这就要求振动夹具的一阶固有频率高于测试件的测试频率。本文运用有限元分析法，分析出某车载多媒体振动夹具原始方案前五阶固有频率，然后针对分析结果，做对应的设计优化，直到满足要求。

Abstract： To embody the actual vibration performance of the vehicle media system， the vibration fixture needs to transfer the energy of the shaker to the test samples without any loss， it needs vibration fixture has higher natural frequency then the test frequency. This thesis uses the FEA tools to analysis the first natural frequency of the fixture concept， then optimize the design based on the FEA result until meet the requirement.

关键词：振动夹具;固有频率;有限元设计

Key words： vibration fixture;natural frequency;FEA analysis

中图分类号：TH122                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0117-03

0  引言

随着社会的不断发展，车载多媒体系统[1]的功能越来越多样，结构也越来越复杂，在整车对该系统振动性能要求不变的情况下，反而加大了其结构设计的难度。环境振动试验是可靠性工程的重要组成部分之一[2]，某车载多媒体系统上市前会进行实物的振动测试。而作为载体的振动夹具是振动实验的关键部件之一，直接影响环境振动实验的成功与否。因有限元模拟分析可以预测产品的振动性能，用最短的时间找到产品最优的设计方案，降低研发成本和研发时间[3]，从而广泛的运用在产品及工装夹具设计工作中。

车载多媒体振动夹具的设计思路如下：运用UG三维软件完成原始夹具的三维结构设计，然后导入有限元分析软件ANSYS中，分析该方案的固有频率，对比实验条件，判断设计是否符合要求。若符合，则采用该方案，若不符合则做出相应的设计改善，直到满足振动需求为止。

1  车载多媒体振动夹具设计目标[4]

车载多媒体振动夹具需满足以下要求：

①夹具一阶固有频率必须大于测试频率（5～1000Hz），即大于1000Hz，从而避免引起夹具在测试过程中发生共振;②夹具能与振动台的安装结构相匹配，保证能安装上振动台;③在满足安装性、固有频率的前提下，尽可能地使夹具轻量化;④夹具需能模拟车载多媒体系统在整车状态下的安装状态，同时尽可能提升测试效率;⑤夹具结构简单、易于加工、方便组装、成本低廉。

2  车载多媒体振动夹具设计的理论

2.1 振动夹具材料的选择

为了提高振动夹具刚度和固有频率，一般设计时会考虑材质的刚度。有公式：

由固有频率公式可得，固有频率跟夹具的重量成反比，若想提高夹具的固有频率，降低夹具的重量非常重要。制作夹具的材料通常有钢、铜、铝、镁、镁铝合金等[5]，考虑到某车载多媒体系统约束前后运动的零件材质为弹簧钢，为避免夹具与之配合的部分（垫块和压块）易被磨损，故夹具上约束测试件前后运动的部件材质选用304不锈钢，而其他部分考虑到减重，选用铝合金。

表1列舉出振动夹具的材料选择及其相关物性。

2.2 振动夹具加工工艺

夹具加工方法有焊接、螺接、铸造、整体加工及其它方法[6]。结合成本、加工及组装性，除不锈钢垫块及压块外，振动夹具铝合金部分拟采用多部件加工，螺丝初步连接，最终焊接一体以达到简化加工、方便组装、提升整体刚度、降低成本的目标。

2.3 振动夹具结构设计

为了使夹具能顺利安装到振动台上，夹具底板的安装孔必须与振动台上安装孔的位置一致。同时考虑到提升测试效率，振动夹具设计成可同时测试两台测试件的对称结构，结合安装产品的结构和相关设计经验，初始振动夹具设计如图1所示。

3  有限元优化设计

运用有限元分析软件ANSYS对振动夹具做固有频率分析，将用UG设计的振动治具三维图转化成.stp格式，导入ANSYS软件，按表1设置材料属性，划分网格如图2。

底座上夹具之间螺丝连接状况如图3所示，底座和振动台直接的螺丝连接孔如图3蓝色孔所示。

完成以上设置，利用ANSYS中模态分析得出初始夹具的前五阶的固有频率、振型和最大形变，此文只研究固有频率，列出一阶固有频率模态分析图，如图4所示。

汇总初始夹具前五阶固有频率如表2所示。

由分析可以初始夹具的一阶固有频率为827Hz，低于测试频率的1000Hz，振动过程中易发生共振。故需要对该方案进行优化。

应用到本治具上采取的措施有：

①增加加强筋来提高夹具整体的刚度（如图5（a）1所示并对应图5（6）相应位置，共6处）。

②顶部除去材料减重（如图5（b）2所示，共2处）。

③增加中间加强筋的厚度及头部减重（如图5（b）3所示，共1处）。

沿用初始夹具的参数设置，对优化夹具进行模态分析，得出其前五阶固有频率、振型和最大形变，此文只研究固有频率，故列出一阶固有频率模态分析图，如图6所示。

汇总优化后夹具前五阶固有频率如表3所示。

由分析可以优化振动夹具的一阶固有频率为1097Hz，高于测试频率的1000Hz，振动过程中不易发生共振，该优化方案可行。

对比振动夹具优化前后的固有频率，如表4所示。

由表4可得该车载多媒体振动夹具优化后其各阶固有频率都有提升，其中一阶固有频率的提升较明显，提升率达到33%。

4  总结

本文综合实验条件和设计经验，先设计了振动夹具的初始方案，运用有限元方法，得出其一阶固有频率为827Hz，低于要求的1000Hz。经过优化设计，再次进行有限元分析，得出优化后方案的一阶固有频率为1097Hz，满足设计要求。再对比夹具优化前后固有频率，优化措施对各阶固有频率都有提升，特别是一阶固有频率，提升率达到33%。运用有限元法，在设计端完成优化以满足要求，大大节省了设计时间和避免因多次测试造成的资源浪费。

参考文献：

[1]石可箴.车载多媒体系统中语言识别技术研究[J].数学技术与应用，2012（2）：82.

[2]李奇志.環境振动试验若干技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[3]杜忠良.基于ANSYS的振动夹具设计[J].黑龙江科技信息，2016（10）：94.

[4]倪振华.振动力学[M].西安：西安交通大学出版社，1986：26-27.

[5]张智森，陆海桃.某型产品振动试验夹具优化设计[J].机械制造与自动化，44（3）：77-79.

[6]齐克敏，丁桦.材料成形工艺学[M].北京：冶金工业出版社，2006：35-50.