电动振动台扩展台面结构优化设计与试验验证.pdf

电动振动台扩展台面结构优化设计与试验验证朱江峰杨 鹏钟琼华(苏州苏试试验集团股份有限公司江苏 苏州)摘 要:本研究以苏州苏试试验集团股份有限公司 推力电动振动台扩展台面为对象优化其一阶轴向共振频率和台面加速度均匀度提高其工作频率范围 通过对比原扩展台面模型和新扩展台面模型仿真的一阶轴向共振频率和台面加速度偏差分析新扩展台面模型的合理性和有效性并以原扩展台面实物和新扩展台面实物进行实测结果对比 实测结果表明一阶轴向共振频率提升了.在相同控制点、监测点以及同一加速度偏差时对应的试验频率范围提高了 左右关键词:一阶轴向共振频率加速度均匀度拓扑优化中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 朱江峰()男汉族学士主要研究方向:机械振动 引 言在交通、航空、航天等工程领域许多设备的故障和事故都与振动问题有关 为了保证产品在实际环境中正常工作在投入使用前需要进行振动试验 电动振动台与机械和液压振动台相比其拥有较宽的试验频率范围、较好的波形和较广的承载范围等优势 振动台的扩展台面应用于尺寸比较大的试验件振动试验扩展台面的性能指标优劣直接影响振动试验的成功与否例如扩展台面的一阶轴向共振频率决定振动系统的工作频率上限 随着试验件的工作环境越来越复杂对电动振动台扩展台面的性能指标提出了更高的要求李红强提出了扩展台面的一阶固有频率有限元算法工程实例验证结果表明理论计算数据和实测数据相吻合可以有效评估振动台扩展台面 刘磊以结构的质量和基频分别作为目标函数和约束函数进行拓扑优化设计结果表明实测试验的基频与有限元仿真的基频之间误差在 以内 夏天凉在对 推力电动振动台附加台面优化设计中通过灵敏度分析明确了将辅助加强筋的厚度和布局作为设计变量以此提高台面的一阶轴向共振频率 陈小慧以加强筋数目、厚度和圆柱底座的直径作为主要设计变量和辅助设计变量设计某振动台扩展台面上述研究仅考虑了电动振动台扩展台面的一阶轴向共振频率虽然增加了振动系统的工作频率范围但是增加的工作频带对应的扩展台面加速度均匀度却不一定满足相关要求从而导致试件在实际振动试验时所受应力不均匀试件某些地方受到的应力被放大或缩小 基于此本文提出了一种以一阶轴向共振频率和振动台扩展台面加速度均匀度指标作为设计约束、整体结构质量作为目标的优化思路可有效提高电动振动台扩展台面的工作频率范围 扩展台面的拓扑优化设计 拓扑优化理论拓扑优化是一种在给定设计空间寻找最优形状和材料布局的数学算法 其中变密度法以每个单元的密度作为优化设计变量人为地规定每个单元的密度在 之间分布代表单元完全消失 代表单元完全存在 建立优化模型原电动振动台扩展台面为传统“米”字形结构(如图 所示)根主筋围绕台面中心均匀分布每 根主筋之间连接 个辅助加强筋其几何参数如表 所示台面底部有 个直径 的动圈连接螺栓孔表 原电动振动台扩展台面几何参数长度/高度/宽度/.工程与试验 .图 原振动台扩展台面模型 由于电动振动台扩展台面的长度、高度、宽度、倒角和动圈连接螺栓孔的布局是固定的因此将电动振动台扩展台面面板当作非设计域扩展台面面板下方的区域作为设计域非设计域如图()所示非设计域和设计域组成的整体结构如图()所示()非设计域()整体结构图 非设计域和整体结构原电动振动台扩展台面采用 铝合金铸造材料参数如表 所示表 铝合金材料参数弹性模量/泊松比密度/(/)定义设计约束结构受到一种特定频率的激励会发生大幅度振动此频率即为共振频率 当结构的阻尼非常小时共振频率约等于结构的固有频率 对于无阻尼单自由度系统固有频率公式定义如下:()式中 为整体结构的刚度 为整体结构的质量对于有阻尼的结构系统固有频率即为有阻尼的固有频率公式定义如下:()式中 为整体结构的阻尼系数原振动台扩展台面仿真一阶轴向振动频率为 为了保证优化收敛因此将整体结构一阶轴向振动频率下限 作为设计约束之一振动台扩展台面加速度均匀度公式定义如下:()式中为同次测量中各点加速度幅值与中心点加速度幅值的最大偏差 为同次测量中中心点的加速度幅值谐响应分析是一种线性分析也称作扫频分析用来计算结构在正弦激励作用下的稳态振动物体的动力学方程为:()()式中 为质量 为阻尼系数 为刚度 为加速度 为速度 为位移考虑到整体结构上下左右对称因此本文选取/的模型布置测点谐响应分析测点分布如图 所示 图中测点和 距离台面中心 分别为 和 原振动台扩展台面测点 与 加速度偏差为 时对应的频率为 将台面测点 与 加速度偏差为 时对应的频率下限 也作为设计约束之一图 振动台扩展台面谐响应分析测点分布 新扩展台面的生成和分析经过 次迭代最终结果收敛图 为相对密度值 为、和 时的优化结果即显示相对密度值 为、和 以上的网格 考虑到结构的轻量化、强度和刚度需求最终选取相对密度值 为 的拓扑优化模型根据选取的拓扑优化模型提取扩展台面的几何参数进行三维建模 为了便于加工和制造最终模型如图 所示腔体内部有 根径向支撑柱扩展台面板与下面腔体以及 个辅助加强筋采用螺栓紧固连接新振动台扩展台面模型理论质量为 与原振动台扩展台面模型相比理论质量增加了 原扩展台面和新扩展台面的仿真一阶轴向共振频率对比如图 所示由 增加至 增加了 图 为原扩展台面和新扩展台面的谐响应台面加速度偏差对比可以看出在相同测点同一加速度偏差时新扩展.朱江峰等:电动振动台扩展台面结构优化设计与试验验证()()()图 拓扑优化结果()外部示意图()内部示意图图 最终模型结构()原扩展台面()新扩展台面图 仿真一阶轴向共振频率对比台面对应的频率大于原扩展台面对应的频率 例如测点与测点 台面加速度偏差为 时对应的频率由 提升至()原扩展台面()新扩展台面图 台面加速度偏差对比 试验测试与验证新扩展台面实际产品如图 所示实测质量 比原扩展台面实测质量 增加了 测试方案实际试验如图 所示一阶轴向共振频率测试方案如图工程与试验 .图 新扩展台面实际产品 所示采用恒定电压驱动分别在台面 个不同的位置测试 台面加速度均匀度测试方案见表 在试验加速度 的状态下测试检测点和控制点的加速度、和 表 示 水 平 线 和 竖 直 线 上 距 台 面 中 心、和 图 实际试验图 垂向一阶共振频率测试方案表 台面加速度均匀度测试方案监测点控制点台面中心方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 方案 实测一阶轴向共振频率对比鉴于文章的篇幅本文只展示方案 的一阶轴向共振频率测试结果如图 所示 可以看出一阶轴向共振频率由 提升至 提升了 实测台面加速度均匀度对比鉴于文章的篇幅本文只展示方案 台面加速度均匀度测试结果如图 所示 可以看出当监测点加速度与控制点加速度偏差为 时新扩展台面对应的试验频率值约原扩展台面对应的试验频率值约 试验频率上限提高了 ()原扩展台面()新扩展台面图 实测频响曲线()原扩展台面()新扩展台面图 方案 台面加速度均匀度 结 论为了提高电动振动台扩展台面的工作频率范围开展了 推力电动振动台扩展台面拓扑优化设计研究主要结论如下:()针对传统“米”字形扩展台面工作频率范围有限的问题提出了一种以一阶轴向共振频率和台面加速度均匀度指标作为设计约束、质量作为目标的设计思路()原扩展台面和新扩展台面的实测结果对比表明新扩展台面在增加了一定质量的情况下一阶轴向共振频率和台面加速度均匀度指标得到了明显的提高 本研究为其它振动台扩展台面优化设计提供了思路(下转第 页).朱江峰等:电动振动台扩展台面结构优化设计与试验验证无裂纹件的表面组织符合标准要求但心部组织析出碳化物明显多于原机件心部组织硬度高于原机件的硬度 综合对组织和硬度的分析可以判定该批次螺栓渗碳层厚度约为 不符合图纸要求力学性能不合格图 维氏硬度变化曲线 断裂原因分析()机加工精度不够高 该批次螺栓在轴向孔根部与孔壁过渡不够圆滑存在细小毛刺同时此位置轴向孔与注油孔交会存在尖角 在淬火过程中由于金属材料组织结构发生变化在上述位置处容易产生应力集中成为裂纹源()渗碳层厚度与渗碳时间有关 随着渗碳时间的增长渗碳层厚度会增加超出规定的渗碳时间导致渗碳层厚度超标 钢的淬透性随着碳含量的增加而升高淬火低温回火热处理后得到的回火组织由于心部含碳量升高强度和硬度随之升高冲击韧性降低导致钢的脆性增加()重新加工该型号螺栓 件按照工艺进行了渗碳处理经探伤未发现裂纹组织和硬度检测也符合质量要求通过上述试验和分析可知该批次螺栓断裂的主要原因是渗碳层厚度超过了标准 的要求达到 次要原因是孔根部应力集中 经验总结()把好金属材料入厂检验关 要建立健全材料检验制度严格按照入厂复验流程进行成分、组织、力学性能等方面的检测从源头控制金属材料的质量()把好机加工质量关 在机加工过程中针对一些复杂件严格按照图纸和工艺要求精准加工确保零件尺寸精度、形位公差、粗糙度等符合要求 针对上述螺栓的孔加工应降低钻削加工速度提高加工精度降低粗糙度值防止孔根部出现毛刺()把好热处理关 热处理作为特殊过程决定材料的最终性能 工作者应当具备较全面的热处理知识对不同热处理制度下不同材料的组织和性能变化规律有较深刻的认识 工作中要严格执行工艺流程控制好加热温度、加热时间、冷却速度等要素 在进行螺栓渗碳处理时一是要做好非渗碳层防护涂抹好防渗液二是要精准控制渗碳时间和渗碳炉的碳浓度三是要做好渗碳层厚度检测防止出现渗碳层厚度超标的情况参考文献合金结构钢:/.航空航天用优质结构钢棒规范:.(上接第 页)参考文献刘磊马爱军董睿等.基于两级拓扑优化的振动台扩展台面设计与试验验证.环境技术():.崔志磊王金娥夏天凉.电动振动台动圈的结构动态特性分析.兰州理工大学学报():.乔新愚.电动振动台扩展台面校准的研究.中国测试技术():.李红强钱志良王孝忠等.电动振动台扩展台面的动力学性能分析.苏州大学学报(工科版)():.夏天凉.电动振动台有限元建模及其附加台面设计.苏州:苏州大学.陈小慧.电动振动台动力学建模及其扩展台面设计.成都:西南交通大学.叶国斌.振动系统加速度均匀度研究.成都:电子科技大学.廖君杜里平王冯良等.基于 的电动轿车副车架的结构优化.机电工程():.王瑞峰王亮贾博韬等.单相驻波驱动的旋转型超声电机结构设计与试验研究.机械工程学报():.郑彬鄂靖元.发动机连杆有限元模态分析及谐响应分析.机械设计():.工程与试验欢迎投稿投稿邮箱:.或 .联 系 人:王暖春 联系电话:欢迎订阅欢迎刊登广告联 系 人:孙松野联系电话:.任满红等:一起 钢螺栓断裂故障分析