發射裝置中振動控制點選擇方法分析

張 建，張漢偉，盛德兵，周志衛

(1.鄭州飛機裝備有限責任公司彈射技術實驗室，鄭州 450005;2.中國人民解放軍駐124廠軍事代表室，鄭州 450005)

目前的實物振動試驗周期長、成本高，具有一定的風險性，還伴隨著強烈的噪聲。而虛擬振動試驗可多次反復地再現整個試驗過程，使研發人員在產品開發中不斷迅速修正設計，從而大大減少昂貴而費時的物理樣機制造及實物試驗過程，縮短研制周期，提高產品的研制質量［1－4］。

振動試驗主要通過監測控制點上的響應來調整所施加的振動激勵，以使產品整體響應符合規定要求，保證試驗的有效性，因此，控制點的選擇便顯得尤為重要。振動試驗標準只是對控制點的選擇給出了一個粗略的范圍，在以往的實物試驗中，往往只依據標準，通過經驗判斷來布置控制點。然而規定的試驗控制點范圍較寬，上述通過人工判斷布置控制點的方法存在較大的盲目性，很難找到一個準確的點來保障試驗的公正性要求。這種控制點選擇上的盲目性可能會導致2種極端情況:如果控制點選在了響應偏小的位置，隨著激勵的不斷增加，容易造成試件整體響應過大，出現過試驗現象，甚至損壞產品;反之，如果選在了響應偏大的位置，則試件整體響應達不到要求，出現欠試驗現象。為此，本文提出了采用虛擬試驗技術來模擬振動試驗的方法，對實物振動試驗的控制點選擇進行設計［5－7］。

本文對某懸掛發射裝置進行研究。首先利用SolidWorks對三維實體骨架模型進行構建，并做必要的簡化，如將無關緊要的倒角、邊界等去除，盡量減少模型的曲面、短小截面，形成新的平滑模型，以便在目前的硬件技術條件下進行計算［8－9］。然后將模型導入MSC.NASTRAN的前處理平臺劃分網格，再在產品上接口的2個孔內施加激勵，同時在產品下接口的4個孔內施加全約束。假設懸掛物質量足夠大，使得全約束條件成立。然后進行模態和頻率響應計算。最后通過分析計算結果，在產品施加激勵和約束的位置附近尋找適合振動試驗的控制點。

1 虛擬振動試驗分析模型準備

譜分析是模態分析的擴展，用于計算結構對地震及其他隨機激勵的響應。本文將用響應譜分析方法進行振動試驗的模擬。

1.1 分析模型構建

在簡化過程中既要忽略對最終結果的分析誤差，又必須滿足計算軟件的需求。利用SolidWorks建立某產品骨架的三維實體簡化模型，如圖1所示。

圖1 骨架三維實體簡化模型

將簡化過的SolidWorks文件轉化為.X_T文件，并導入 MSC.NASTRAN，劃分網格，如圖 2所示。

圖2 骨架模型網格模型

1.2 建立頻率譜和工況

建立頻率譜，范圍為20～500 Hz，共分為400段，功率譜密度為1 g2/Hz，利用PCL語言設置，如圖3所示。

圖3 利用PCL語言設置的頻率譜

1.3 施加激勵和約束

在產品上接口的2孔內施加向下的5000 N壓力譜作為模擬振動試驗的激勵條件，此激勵為依賴頻率譜的函數。在產品下接口的4個孔內施加全約束，以模擬質量很大的懸掛物，施加位置如圖4所示。

圖4 激勵和約束的施加位置

1.4 定義材料屬性及物理特性

材料按照鋼的屬性定義:彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比 υ =0.3，密度 δ=7800 kg/m3，阻尼ζ=2%。

1.5 分析計算的參數設置

計算參數設置:頻率范圍為20～500 Hz，共分為400段，在阻尼ζ=2%的情況下使得振幅有所收斂。設置完成后將模型提交計算。

2 計算結果分析

通過以上計算，可以得到產品骨架上各點的響應值、應變分布、應力分布等，應用這些數據能很好地分析振動試驗中各節點情況，從而更合理地選擇試驗所需要的控制點分布位置。

2.1 響應譜分布

經計算可得，頻率為20～500 Hz時，最大響應值均出現在下接口最右邊孔的右側偏上，距離孔心大約20 mm的位置，其值在此頻率區間線性增加，在500 Hz時達到2770 MPa。最小響應值出現在位于骨架最左端節點7607位置，其值在500 Hz時為2.45 MPa，可忽略，如圖5所示。

節點7607和節點7762的響應值隨頻率變化分布如圖6所示，頻率區間為20～500 Hz。

為了更直觀地分析響應值的分布規律，隨機選擇另外5個點作為參照，如圖7所示。

圖5 500 Hz頻率下各點響應云紋圖

圖6 最大響應值和最小響應值隨頻率變化分布

圖7 隨機選擇的節點位置

得到這些節點的響應值隨頻率變化的分布，如圖8所示，可以看出所選取的節點響應值大小均介于節點7762和節點7607的響應值之間。

圖8 隨機節點的響應值隨頻率變化分布

為了更直觀分析計算結果，選取參考頻率為340 Hz，得到各節點響應值，如表1所示。

通過以上分析，可以得到任意節點在不同頻率下的響應值，據此能判斷出產品上激勵和約束施加位置附近節點的響應值，從而尋找到合適的控制點，以滿足試驗要求。

2.2 利用響應分布選擇控制點

為了合理地選擇控制點的位置，在施加激勵和約束的各接口孔附近選取幾個參考點，比較其響應值分布。

2.2.1 位于左邊上接口附近節點的響應值計算

在左邊上接口施加激勵的孔附近選取節點，如圖9(a)所示。

得到這些節點響應值隨頻率變化分布，如圖10所示。最大響應值出現位于上接口左孔的右側偏下，距離孔中心大約55 mm的節點1290，最小響應值出現在位于上接口左孔的左側偏下，距離孔中心大約40 mm的節點7182處，如圖9(b)所示。

選取參考頻率為340 Hz，得到各節點響應值，如表2所示。

圖9 左激勵附近選取節點的位置

圖10 左激勵附近節點響應值隨頻率變化分布

表1 340 Hz頻率下隨機節點的響應值 Pa

表2 340 Hz頻率下左激勵附近節點的響應值 Pa

2.2.2 位于右邊上接口附近節點的響應值計算

在右邊上接口施加激勵的孔附近選取節點，如圖11(a)所示。

得到這些節點響應值隨頻率變化分布，如圖12所示。最大響應值出現在上接口右孔的左側偏下，距離孔中心大約45 mm的節點5102，最小響應值出現在上接口右孔的右側，距離孔中心大約70 mm的節點7207，如圖11(b)所示。

選取參考頻率為340 Hz，得到各節點響應值，如表3所示。

2.2.3 位于左邊下接口附近節點的響應值計算

在左邊下接口施加約束的孔附近選取節點，如圖13(a)所示。

得到這些節點的響應值隨頻率變化分布，如圖20所示。最大響應值出現在位于下接口左邊2孔的左側孔下方，距離孔中心大約50 mm的節點5551，最小響應值出現在下接口左邊2孔的右側孔右下方，距離孔中心大約70 mm的節點950，如圖13(b)所示。

圖11 右激勵附近選取節點的位置

圖12 右激勵附近節點響應值隨頻率變化分布

圖13 左約束附近選取節點的位置

圖14 左約束附近節點響應值隨頻率變化分布

選取參考頻率為340 Hz，得到各節點響應值，如表4所示。

2.2.4 位于右邊下接口附近節點的響應值計算

在右邊下接口施加約束的孔附近選取節點，如圖15(a)所示。

得到這些節點的響應隨頻率變化分布，如圖16所示。最大響應值出現在下接口右邊2孔的右側孔右上方，距離孔中心大約15 mm的節點7762，最小響應值出現在下接口右邊2孔的左側孔左下方，距離孔中心大約40 mm的節點7004，如圖15(b)所示。

圖15 右約束附近選取節點的位置

選取參考頻率為340 Hz，得到各節點響應值，如表5所示。

表3 340Hz頻率下右激勵附近節點的響應值 Pa

表4 340 Hz頻率下左約束附近節點的響應值 Pa

表5 340 HZ頻率下右約束附近節點的響應值 Pa

圖16 右約束附近節點響應值隨頻率變化分布

2.2.5 控制點的選取

通過以上計算分析，在產品模型施加激勵和約束的位置附近的節點響應值都能很清晰地反映出來，為選擇振動試驗的控制點提供了理論依據。

振動試驗本身是一個閉環控制過程，即通過監測控制點的響應來調整所施加的振動激勵，以使產品整體響應符合規定要求。因此，控制點的選擇便顯得尤為重要。分析中，既不希望出現過試驗現象，也不希望出現欠試驗現象，因而可以利用這種控制機理，根據試驗的目的靈活地選擇適當的控制點位置。當試驗要求產品所有點的響應不超過某一特定值時，選擇計算中出現最大響應值的節點作為控制點，便能使得整個產品的各點都不會超過特定響應值;反之，如果要求產品所有響應不底于某一特定值時，則選擇計算中出現最小響應值的節點作為控制點，保證整個產品的各點響應值都大于這個特定的響應值;也可測試產品的一個平均水平的響應值分布，這時，只需要把計算出的各節點響應值做一個平均值計算，參照這個平均值尋找幾個具有同樣響應值的節點作為控制點，便能滿足試驗要求。

上述方法雖然其結果基本接近目前振動試驗中控制點的選擇位置，但距離真正意義上的虛擬振動試驗尚有一定差距。然而，研究證明，這種使用頻率響應分析方法進行振動試驗設計的方案是合理可行的?？梢灶A見，隨著工作的不斷深入，虛擬試驗必將成為產品開發階段的重要手段，將在產品設計開發中發揮巨大作用。

3 結論

通過MSC.NASTRAN響應譜分析模擬振動試驗，可以得到產品模型上任意點在不同頻率下的響應值，從而為實物試驗的控制點位置的選擇提供參考。通過本次基于虛擬試驗技術的振動控制點選擇方法的研究，得到以下結論:

1)虛擬試驗能為振動試驗中控制點位置的選擇提供有效依據。

2)綜合考慮產品相關各點的振動響應值的結果，能為不同的試驗目的提供靈活的控制點選擇策略。

3)計算產品模型在振動激勵下的響應值分布，可以為產品設計提供參考。

4)通過分析響應譜來實現虛擬振動試驗的研究是有效可行的。

5)虛擬試驗和仿真技術必將成為今后產品開發、研制和試驗過程中的核心技術。

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