基于ANSYS的振动工装夹具的设计和仿真

鞠明洋

（陕西科技大学阿尔斯特学院，西安 710021）

引言

在计算机技术的迅猛发展下，工装夹具的设计取得了有效的创新，不仅在理论上应用了新的模态分析理论，同时，在设计方法上，还研发了一种功能多样、通用性强的有限元分析软件，如ANSYS软件。目前，国外多个发达国家均利用有限元分析软件，对振动台夹具进行科学设计，使得该工装夹具的使用性能得以大幅度提高。所以在ANSYS软件的应用背景下，如何对振动工装夹具进行科学设计和仿真是技术人员必须思考和解决的问题。

1 振动工装夹具设计

1.1 夹具设计要求

本文所设计的工装夹具主要用于后期振动强化试验的开展，整个试验所用到的激励源呈现出随机振动状态，并沿着垂直方向和水平方向进行随机振动。在进行振动强化试验期间，试验剖面主要以下两种剖面组成，分别是量级剖面和谱密度剖面，其中，量级剖面属于典型的步进应力剖面，其量级值由低到高逐渐增加，当达到电动台的极限量量级时，其量级停止增加，所以，振动强度普遍较高。另外，应力谱密度剖面通常表现出较高的宽频带特性，可以快速地发现和处理比较敏感的引信缺陷问题，所以，在设置电动台的的频率范围期间，要沿着垂直方向，将其范围设置为5～3 000 Hz之间，沿着水平方向，将其范围设置为5～2 000 Hz之间。此外，还要严格按照以下工装夹具设计要求，对该夹具进行科学化、规范化设计。第一，夹具的首阶固有频率要远远超过最高试验所对应的频率，也就是说夹具沿着垂直方向所对应的首阶固有频率要控制在3 000 Hz以上，沿着水平方向的首阶固有频率必须控制在2 000 Hz以上。固有频率计算公式为

式中：

f—固有频率；

k—工装刚度；

m—工装质量。

第二，夹具与连接面上所对应的各个连接点必须保持相同的响应速度，使得试验所对应的激励输入表现出较高的稳定性和均匀性。第三，要尽可能提高工装夹具的刚度，确保其能够承受较高的振动强度。第四，工装夹具在实际运动期间，要确保其沿着横向运动幅度的稳定性。第五，当夹具和试件被同时安装和固定在振动试验台上时，要确保振动台面与复合夹具之间的距离达到最小，使得夹具重心变得越来越低，从而保证夹具的稳定性和可靠性。第六，工装夹具的阻尼要尽可能大，其波形失真程度要尽可能小。第七要确保所设计的工装夹具具有稳定的机械性能，首先，要严格按照所设置好的被试件产品使用要求，对被试件的当前安装效果进行真实化模拟。同时，还要严格按照振动试验设备安装和固定步骤，科学控制夹具重心位置。此外，还要确保所设计的工装夹具表现出一定的多功能性、加工简易性、经济性等特点。第八在控制工装夹具质量时，要在满足振动试验条件的基础上，尽可能降低夹具的质量，确保其表现出质量较轻的特点。总之，要想进一步提高工装夹具的设计水平和效果，设计人员必须要严格遵循以上设计原则，提高夹具的使用性能。

1.2 夹具材料选择

目前，比较常用的夹具材料主要包含以下几种：①铝材。铝材通常表现出密度小刚度高、性能稳定等特点，该材料被广泛地应用于工装夹具中，并取得了良好的应用效果。②钢材。钢材表现较高的密度和质量，但是，其阻尼相对较小，导致钢制夹具所对应的固有频率普遍较低，不满足高频率工装夹具设计要求[1]。③镁材。镁材表现出质量轻、阻尼大、焊接简单等特点，可以制更加优质的工装夹具材料，但是，镁材具有一定易燃性，因此，不能将其应用于工装夹具制作中。通过全面地对比和分析工装夹具应用材料特点，将LY12铝合金材料设置为工装夹具制作材料，LY12铝合金材料的特性如表1所示。

表1 LY12铝合金材料的特性

1.3 夹具初步设计

在充分结合工装夹具外形特点的基础上，严格按照夹具设计相关标准和要求，利用SolidWorks软件，对工装夹具三维图进行初步设计，夹具的三维图形如图1所示。夹具初步设计原则如下：①将工装夹具设计成以下两种独立结构，分别是长方体和圆柱体，降低加工难度和加工成本。②将夹具重心降到最低[2]，并优先选用对称设计法，对其进行设计。③确保振动台能够安全、可靠地传递到夹具中。整个工装夹具主要由夹具上体和夹具下体两个部分组成，这两个部分主要借助内六角螺钉建立良好的连接关系[3]。夹具下体为长方体，其长、宽、高分别为130 mm、130 mm、32 mm，使用内六角螺钉可以将其与振动台之间进行有效、稳定地连接，中间设置相应的螺纹孔，确保夹具上体插入到夹具下体中间位置。夹具下体外观呈现出直径为110 mm、高为27 mm的圆柱体[4]，中间设置相应的弧形孔，通过将工装夹具设置为这种结构，可以降低工装夹具在整个试验中重心，确保工装夹具表现出频响特性稳定，横向运动良好等特点[5]。

图1 夹具的三维图形

2 ANSYS软件仿真

2.1 有限元模态分析理论

通过利用有限元分析法，对结构进行有效地划分，在稳定运动状态下，各个节点达到动力平衡状态[6]，此外，对于多个工装夹具构成的复合夹具而言，不同夹具之间的连接可以产生相应的串联弹簧性质或者并联弹簧性质。当串联弹簧表现出一定的大挠度性时，其总挠度值大小与最软弹簧之间存在密切联系[7]；当并联弹簧表现出一定的小挠度性时，其总挠度值大小与最硬弹簧之间存在着密切联系。由此可见，当工装夹具刚度大且质量轻时，可以获得相对较高的固有频率，同时，在使用复合夹具期间，要综合考虑串并联状态对夹具刚度所产生的作用和影响。在处理多自由度复杂模型时，技术人员要优先选用子空间迭代法，对工装夹具的固有频率进行科学计算。

2.2 ANSYS模态分析

对于工装夹具而言，主要由以下两个部分组成，分别是上体和下体，在进行垂直随机振动期间，夹具上体和下体经过组合可以获得串联弹簧性质[8]。在进行水平随机振动期间，夹具的上体和下体经过组合可以获得并联弹簧性质。利用子空间迭代法模态分析工装夹具期间，一旦该夹具无法满足相关标准和要求，需要对其进行改进处理，然后，对改进处理后的夹具进行模态分析。由于工装夹具实体通常表现出一定的简单性，所以，通过借助四面体单元，可以实现对夹具的科学划分，从而全面地了解和把握物理模型的实际情况，同时，还确保计算流程的简单性。在此基础上，通过使用四个螺钉，将夹具安装和固定在振动台上。通过利用ANSYS软件对夹具进行模态分析，所获得的夹具的有限元模型如图2所示。

图2 夹具的有限元模型

所获得的夹具仿真自振频率如表2所示。从表2中的数据可以看出，通过利用ANSYS软件，对工装夹具进行模态分析，可以确保所设计的工装夹具更好地满足振动强化试验相关标准和要求。

3 试验验证

严格按照所设置好的夹具结构设计相关标准和要求，对工装夹具进行科学化加工，溶蚀，采用单点激振锤击测量法，对工装夹具进行科学化试验，其测试系统组成原理如图3所示。

图3 测试系统组成

此外，通过利用试验模态测试法，对工装夹具进行测试，获得如表3所示的夹具自振频率，然后，全面地对比和分析表3和表2中的数据，发现两者结果几乎吻合，这表明ANSYS软件模态分析在工装夹具设计中表现出一定的可靠性和有效性。

表2 夹具仿真自振频率

表3 夹具整体试验自振频率

4 结束语

综上所述，通过利用ANSYS软件，对所设计好的工装夹具进行科学化模态分析，并精确地计算出该夹具的固有频率，然后，采用试验验证的方式，对该夹具仿真的可靠性和有效性进行验证。结果表明：通过向该夹具的模态分析中，应用有限元分析法，可以保证最终计算结果的有效性和可靠性。另外，通过利用有限元软件，对设计后或者制作前的工装夹具进行仿真，可以有效地改进和优化夹具结构和材料，确保夹具满足相关性能要求，从而获得最佳设计方案，以达到减少夹具设计时间的目的。