基于MSC的气动式振动台台面性能研究.pdf

第 3期 总第 1 4 8期 2 0 0 8年 6月 机 械 工 程 与自 动 化 MEC HAN1 CAL ENG1 NEER1 NG AUT0M AT1 0N No． 3 J u n ． 文章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 8 0 3 0 0 0 4 0 4 基于 MS C 的气 动式振 动 台台面性 能研 究 廖世 佳 ，王 考 ，陶俊 勇 国防科技大学 机 电工程 与 自动化 学院 机 电X - 程研究所，湖南 长沙4 1 0 0 7 3 摘要 气动式振动台是一类重要的可靠性强化试验设备 ， 然而早期气动式振动 台振 动信 号的能量在频域内分布 不 均匀且低频 能量较低 ，这 限制 了该类设 备在可靠 性强化试 验中的进一 步应用 。以气动式 振动 台的关键 部 件 振动 台面为研究对象 ， 应用大型有限元分析软件 MS C建立 了气 动式 振动台的有限元模型 ， 仿 真分 析了 两类具有不 同形式工程台面 的气动式振动 台动力学 响应 ； 结合低频能量和 均匀性指 标 ， 建立 了气 动式振 动台的 性能评价准则 ， 客观地评价 了两类台面性能 的优劣程度 ， 从 而形成了一套完整的台面性能仿真研究方法 ， 为下 一 步进行气动式 振动台的性能改善乃至 自主研发工作奠定 了基 础。 关键词 气动 式振动 台；有 限元 ；低频能量 ；评价准则 ；仿真 中图分类号 TB 1 2 3 文献标识码 A O 引言 气动式振动台是近十年来 出现的一类新型可靠性 强化试验设备 ，该设备能够提供一种幅值概率密度分 布为超高斯的宽带伪随机强化振动环境 ，因而对受试 产 品 的疲 劳缺 陷表 现 出很 高 的激发 效力 口 ] 。 早期 的气动式振动台本身存在一定的设计缺陷， 主要缺陷之一是在 l k H z以下振动信号的能量分布不 均匀且出现一个低谷[ 2 ] 。然而对于大多数电子产品而 言 ，其固有频率大都落在 O Hz ～l k H z之间， 这使得气 动式 振动台不能充分地激发这类 电子产 品的各阶模 态，进而限制了该设备在电子产品可靠性强化试验中 的应用 。因此开展气动式振动台的性能改善乃至自主 研发工作势在必行 。 振动台面作为气动式振动台的关键部件之一 ，直 接影响着气动式振动台的振动剖面与谱形，进而影响 振动台的试验效率 。因此 ，本文在建立 了气动式振动 台性 能评 价准 则 的基 础 上 ， 以振动 台面 为研究 对象 ， 并 结合仿真研究工作周期短 、效率高、费用低的诸多优 点，以大型有限元仿真分析软件 MS C为工具 ， 建立 了 气动式振动台的有限元模型；仿真分析了两类不同形 式振动台面的动力学响应 ；结合性能评价准则 ，对两 类具有不同形式 台面的气动式振动台进行性能评价 ， 旨在为气动式振动台的性能改善和自主研发工作奠定 基础 。 1性能评 价 准则 主 要 针 对 气 动式 振 动 台 的低 频 0 Hz 1 0 0 0 Hz 能量 及 台面不 均匀度 指 标建 立性 能评 价准则 。 1 ． 1 低 频 能 量 根据台面安装孔 的位置并参考相关文献 ，本文把 围绕台面正 中心点的正方形称作 “ 环” ， 从内到外依次 称为零环 中心点 、一环、二环等 。结合受试产品的 常见安装位置，下面主要考虑二环以内各采样点的响 应信号 ，环的示意图见图 1 。 ， 圈 E E 图 1 环 示 意 图 本文 中低频能量是指响应信号的低频段 0 Hz ～ 1 0 0 0 H z 能量占信号总能量的百分比。由于气动式振 动 台的激励方式及 台面结构等固有特性的影响，台面 不同位置 的响应信号存在不均匀性。为了合理地评价 *国家“ 十一 五”部委预研资助项 目 收稿 日期 2 0 0 7 1 1 - 1 3 ；修 回日期 ；2 0 0 7 1 2 2 3 作者简介 廖世佳 1 9 8 3 一 ， 男 ， 湖北黄石人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向 可靠性强化试验理论与技术． 可靠性 强化试验 系统 设计与优化 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年第 3期 廖世 佳 ，等 基于 MS C的气动式振动 台台面性能研 究 5 气动 式振 动 台的性 能 ，应 该 综合 考 虑 台面 不 同位 置的 响应 信 号 。因此 ，下文 提 到 的低 频 能量 是综合 考 虑二 环以内各点响应信号而得到的。具体方法是 先分别 求环上各点加速度响应信号的自谱 ，然后将各点 自谱 进行平均 ，从而由平均后的 自谱计算得到低频能量指 标 。这里须注意的是这种平均方法的前提是各点响应 信 号 的采 样频 率 和采样 点 数必须 相 同 。本 文 中 响应信 号采样频率为 2 5 k Hz ，采样点数为6 0 0 0 点。 1 ． 2 台面 不均 匀度 关 于振动 台 的不均匀 度 指标 ，在 数字 式振 动 台试 验 系统 检定规 程 J J G 9 4 8 1 9 9 9中有相 关 描述 ，该 指 标以采样各点中加速度均方根值与正 中心点偏差的最 大值 来计算 不 均匀 度 。显 然 ，由于气 动式 振 动 台与 电 磁振动台激励方式不同，台面特性差别较大，该指标 不可 能全 面地评 价 气动 式振 动 台的 均匀性 ，存 在较 大 的偶 然性 。 为更 全 面地评 价气 动式 振 动 台的均 匀性 ， 应 该 综合 考 虑 台面上 不 同位 置 多个 点 的响应信 号 对不 均 匀度指 标 的影响 ，所 以本 文 以累 积不 均匀度 作 为评 价 台面均匀性的指标 。 指标 的具体定义是 提取环上 个 不同点的加速度响应信号，计算各点的加速度均方根 值 A 一1 ， 2 ， ⋯ ， ，求各点均方根值的平均 A 一 ∑A 。⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 i l 则 台面 的累 积不 均匀度 为 ． ． ．‘ D一∑ ； 1 0 0 ％。 ⋯⋯⋯⋯ 2 i l n 2 气 动式振 动 台有 限元模 型 2 ． 1 气动式振动 台及其参数 气动 式振 动 台主要 由振 动 台面 、气锤 以及支 撑 弹 簧组成。振动台面 由 4个无转动约束的接地弹簧来支 撑 ，在台面下方的不同位置处分别安装气锤对其进行 激励 ，进而使振动 台产生振动的试验环境。 本文 选择 工程 上常 见 的实心 台面 和空 心 台面 进行 研 究 。 实 心 台面 为一块 实心 铝板 ； 空 心 台面分 3层 ， 上 、 下 两 层均 为实 心铝 板 ，中 间一层 由 4块铝 条 围成 。对 本文中不同形式的振动台面 ， 支撑 弹簧的支撑位置、 弹 簧 刚 度 以及气 锤 的安装 位置 均相 同 ，具体 参数参考 自 意 大利 A C S公 司某 型气 动式 振 动 台 ， 分别 见表 1和表 2 ，表 中坐标 均 以 台面底 部 4个顶 点 中的 1个为原 点 。 表 1 弹簧的支撑位置及 支撑 刚度 序号 l 2 3 4 支撑位置 m 0 ． 0 5 5 ， 0 ． 1 2 5 0 ． 8 6 5 ， 0 ． 1 2 5 0 ． 8 6 5 ， 0 ． 7 9 5 0 ． 0 5 5 ． 0 ． 7 9 5 支撑刚度 N／ m 2 5 5 O 0 2 5 5 0 0 2 5 5 0 0 2 5 5 0 0 表 2 各个 气锤的安装位置 序 号 f I z l 。 f l s 6 I 7 l 8 9 安 装 位 置 m l o ． 1 8 ， o ． 1 8 f o ． 4 6 ， o ． 1 8 } o ． 7 4 ， o ． 1 8 I o ． 1 8 ， o ． 4 6 I o ． 4 6 ， o ． 4 6 o ． 7 4 ． o ． 4 6 f o ． 1 8 ， o ． 7 4 』 o ． 4 6 ． o ． 7 4 0 ． 7 4 ． 0 ． 7 4 2 ． 2 有 限 元模 型的建 立 为 了便 于建 立上述 不 同形式 工 程 台面振 动 台的有 限元模 型 ，给 出以下几 点 假设 ①气 锤 的质 量远 小于 振 动 台面的质 量 ，故忽 略气 锤 的质 量 ；② 忽 略气锤 与 振动 台面的接 触面 积 ，认 为气 锤 对 台面 的激励 为集 中 动载荷激励 ；③忽略弹簧的支撑面积，认为弹簧对振 动 台面 的支撑 为 4个面 内点 弹性 支撑 。 基 于 以上 假设 ，分 别建 立具 有上 述两 类振 动 台面 的气 动式 振动 台有 限元 模型 。采 用三 维 弹性体 单元 建 立不同振动台面的有限元模型；不考虑弹簧的支撑面 积，采用 0维弹簧单元建立 4个支撑弹簧的有限元模 型 。结合 实际 振动 台面 的边界 条件 对有 限 元模 型施 加 四边 自由的边界约束 ，模型中涉及到的材料参数见表 3 ， 具 有不 同形式 振动 台面 的气 动式 振动 台的有 限元模 型 见图 2 。 表 3材料的特性参数 材 料 弹 性 模 量 M P a l 密 度 k g ／ m 。 泊 松比 铝 6 ． 9 1 0 4 l 2 8 0 0 O ． 3 3 ◆◆ t a 实心台面 图 2不 同 形式 台 面 的 气 动 式 振 动 台 有 限 元 模 型 2 ． 3有 限元模 型 的验证 有 限元 模 型 的正 确性 和合 理 性必 须通 过模态 试验 来 验证 。 本 文 以实 心 台面 为例 ， 针对 意大 利 AC S公 司 的气动式振动台， 在振动台面上均匀布设 1 6个电压型 加 速度 传感 器 ， 通 过力 锤激 振振 动 台面 ， 使用 P UI S E 多 分析 仪 系统实 测振 动 台面 的 固有频 率和振 型 。仿 真 计 算 的振 动 台面 固有频 率 见 表 4 ，实测 的振 动 台 面 固 有 频 率见 表 5 ，对 比结果 表 明仿 真计 算 的振 动 台 面频 率与实测振动台面频率吻合良好。图 3是仿真计算与 实 测 的振 动 台面 前 3阶振 型对 比图 。由图 3可知 ，仿 真计算的振动台面振型较真实地反映了振动台面的实 际振型 ， 其中第 1阶振型是沿 方向的平动． 第 2阶振 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8年第 3 期 型是绕 方向的转动， 第 3阶振型是绕 方 向的转动 。 综上所述 实验结果与有限元仿真结果吻合 良好 ， 充分验证了上述有限元模型的合理性与正确性。 3 动 力学 响应分 析 3 ． 1载荷 气锤是整个气动式振动台的激励源。不同形式振 动 台面的气锤安装位置见表 2 ，其中 1 、3 、7 、9 号气 锤为大气锤 ，2 、4 、5 、6 、8号气锤为小气锤。 前期研究工作表明L 3 ] 在某一持续稳定的气压作 用下 ，气锤的活塞将在气缸内实现往复运动 ，并与气 缸发生周期性的碰撞 。此时，气锤产生的周期性碰撞 信号是时域 内不同时刻活塞一次碰撞气缸所产生的碰 撞信号的叠加，而一次性碰撞信号近似服从以下表达 式 F f Ae x p -- Kt s i n wt 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 其 中F为 碰撞 产 生 的反力 ；t 为碰撞 时 间；A、K、叫 均为待定系数 。 针对本文涉及到的气锤 ， 在 2 7 4 ． 4 k P a 持续稳定气压作用下 ，小气锤产生的一次性碰撞信号 的 表达 式近 似为 F1 f 8 0 0 e xp 一 5 8 0 0 t s i n 2 8 0 00 t 。 ⋯ ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 大气锤产生一次性碰撞信号的表达式近似为； F2 f 一 3 0 0 e x p 一 5 0 00 t s i n 2 O 0 0 0 t 。 ⋯ ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 大量试验结果表明在 2 7 4 ． 4 k P a持续稳定气压 作用下 ，小气锤产生的激励信号的周期约为 1 1 ． 9 ms ， 大气锤产生的激励信号的周期约为 2 4 ． 4 ms 。因此 ， 小 气锤产生 的激励信号可由信号 F f 以 1 1 ． 9 ms为周 期在时域内经过周期延拓得到 ，大气锤产生的激励信 号 可由信号 F 。 f 以 2 4 ． 4 ms为周期在时域内经过周 期延拓得到 。 表 4 仿真计算 的振 动台面前 2 O阶固有频 率 阶数 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 频率 Hz 8 ． 4 3 l O ． 6 9 l 2 ． 9 6 5 8 ． 6 6 8 2 ． 6 9 l O 5 ． 6 9 l 4 6 ． 9 9 l 4 7 ． 5 6 2 6 3 ． 5 3 2 6 3 ． 5 4 阶数 l l l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 l 9 2 0 频率 Hz 2 6 9 ． 1 4 2 9 3 ． 4 3 3 3 2 ． 3 0 4 4 7 ． 8 8 4 4 7 ． 9 O 5 0 9 ． 0 8 5 3 6 ． 1 0 5 6 9 ． 3 8 5 7 0 ． 8 4 6 5 0 ． 2 5 表 5 实测的振动 台面前 2 O阶固有频率 阶数 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 频率 Hz 8 ． O 9 l 0 ． 9 O l 2 ． 8 O 5 7 ． 9 0 8 3 ． 4 0 l O 5 ． o o l 4 6 ． O O 1 4 9 ． o o 2 6 4 ． 0 0 2 6 5 ． 0 0 阶数 l l l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 l 9 2 0 频率 Hz 2 7 4 ． 0 0 2 9 1 ． 0 0 3 3 0 ． 0 0 4 4 4 ． 0 0 4 5 5 ． 0 0 5 0 4 ． 0 0 5 1 5 ． 0 0 5 7 8 ． 0 0 5 8 2 ． O 0 6 6 0 ． 0 0 仿真计算 的前3 阶振型 g 癸 | 嘲 c b实测的前3 阶振型 图 3 仿真计算与实测的振型对 比图 3 ． 2动力 学响应 分析 J 根据模型的特点， 采用直接法进行瞬态响应分析 。 直接法瞬态响应分析中，运动方程的矩阵形式如下 [ ] { 五 z } [ B3 { f } [ ] { f } { 户 f }。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 其中[ ]为质量矩阵；[ B3为阻尼矩阵；[ K]为刚 度矩阵 ； “ f 为随时间变化的位移响应 ； P f 为随时间 变化 的外力 。 在考虑阻尼对分析的影响时，可以不考虑总体结 构阻尼系数 G的影 响，而只考虑材料阻尼的影 响即 可。不同材料的阻尼系数 G 的数值相差很大 ，金属、 木材 、混凝土等为 1 0 ～1 0 一 ；橡胶 、高分子聚合物 为 0 ． 5 ～2 ． 0 ， 高的可达 5 ． 0 l_ 5 ] 。 分析时， 取铝的阻尼系 数 为 0 ． 0 0 2。 分析参数确定后，利用 Na s t r a n分析计算振动台 面不同位置处的加速度响应信号，为后续的台面性能 评 价 工作 奠定基 础 。 4 仿 真结 果分 析 由上述仿真分析的结果 ，可得台面各点的加速度 响应信号 ，结合 以上性能评价准则在 MA TL AB中对 响应信号进行处理，即可得到各台面的性能指标。两 类不 同形式 振动 台面加速度响应信号 的 自谱见 图 4 ， 低频能量和累积不均匀度指标分别见表 6和表 7 。 粕j 恕 瓣 层 频率， ， } 乜 频率／ 1 垃 c a 卖 台商 c i’ 台面 图 4 加速度响应信号 自谱 从图 4可以看 出，空心台面响应信号的能量在频 域内分布较为均匀 。结合表 6的计算结果可见 ，上述 不同形式工程台面的低频能量存在如下关系；空心台 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 第 3期 机 械 工 程 与自 动 化 ，7 面 实 心台面 ，即空心 台面低 频 性 能较好 。 由表 7 可以看出，上述两类不同形式工程 台面的 累积不均匀度存在如下关 系 空心台面实心台面， 即 空心 台面 均匀 性较 好 。 表 6 低 频能量 【 台面形式 实心台面 空心 台面 低频 能量 0 ． 8 3 1 ． 5 2 表 7累积不均匀度 5 结束语 总之 ，本文针对气动式振动台低频能量和均匀性 指标 ，建立 了气动式振动台的性能评价准则 ，应用大 型有 限元分析软件 MS C建立 了气 动式振动台的有限 元模型，仿真分析了两类具有不同形式工程 台面的气 动 式振 动 台动力 学 响应 ，并结 合性 能评 价准 则客 观地 评 价 了两类 台面性 能 的优劣程 度 ，从 而形成 了一 套完 整的台面性能仿真研究方法，为下一步进行气动式振 动 台的性能改善乃至 自主研发工作奠定了基础。 参考 文献 [ 1 ] 蒋 瑜． 频 谱可控 的超高斯 随机振 动环境模 拟技术 及其应 用研 究[ D] ． 长 沙 国防科技大学 ， 2 0 0 5 3 - 5 ． [ 2 3 蒋培． 全轴随机振动环境的疲劳强化机理研究[ D] ． 长沙 国防科技 大学 ， 2 0 0 4 ； 1 1 1 2 ． [ 3 3 王考 ， 陶俊勇， 陈循． 气动式振动台激励信号研究与气锤 优化设计 [ J ] ． 振动工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 3 2 4 9 2 5 4 ． [ 4 ] 隋允 康 ， 杜 家政 ， 彭细荣． MS C ． Na s t r a n有 限元动力 学分 析 与优化设 计实用 教程[ M] ． 北京 科 学出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 清华 大学工 程力 学 系固体力学 教研组 振动组． 机械振 动 I - 册 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 8 0 ． S i m u l a t i o n a nd Co nt r a s t i v e St u dy o n Pe r f o r ma n c e o f Re p e t i t i v e S h o c k M a c h i n e s LI AO S h i - j i a， WANG Ka o， TAO J u n y o n g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f M e c h a t r o n i c s En g i n e e r i n g， Co l l e g e o f M e c h a t r o n i c En g i n e e r i ng a n d Au t oma t i o n， Na t i o n a l Un i v e r s i t y o f De f e ns e Te c h n o l o g y， Cha n g s h a 41 0 07 3， Ch i n a Ab s t r a c t Re p e t i t i v e S h o c k RSma c h i n e i s a k i n d o f s i g n i f i c a n t e q u i p me n t f o r Re l i a b i l i t y E n h a n c e me n t Te s t i n g， h o we v e r ， t h e e a r l y RS ma c hi ne s ha v e s o m e s h or t ag e s t ha t t he v i b r a t i on e ne r gy doe s n ot di s t r i but e e ve nl y i n t he f r e q ue nc y do ma i n an d c o nt r i but e t O O l o w e n e r g y t o t h e l o we r f r e q u e n c y b a n d ． Th e s e d i s a d v a nt a g e s h a v e c o n f i n e d t h e a p p l i c a t i o n o f RS m a c h i n e s i n t h e Re l l a b i l i t y En h a n c e me n t Te s t i n g o f e l e c t r o n i c a s s e m b l i e s ． Th i s p a p e r ma i n l y s t u d i e s t h e p e r f o r ma n c e o f RS ma c h i n e s wi t h d i f f e r e n t v i b r a t i o n t a bl e s ．The f i n i t e e l e me nt mo de l s o f di f f e r e nt RS m a c hi n e s a r e bui l t t o a na l y z e t he dyn a mi c r e s p on s e ．Bas e d o n t he pe r f or man c e i n de x e s of l owe r f r e qu e nc y e ne r g y a nd u ni f or m i t y， t h e e va l ua t i on r ul e s ar e pr e s e nt e d t o e va l u a t e d i f f e r e nt vi br at i o n t a bl e s a nd t e l l t h e o ut s t a nd i n g vi br at i on t a bl e o n p e r f e r ma n c e． Obv i ous l y t he s t u dy a nd r e su l t s wi l l no t onl y c o nt r i but e t o t he i mpr ov e me nt b ut a l s o t o t h e i n d e p e n d e n c e d e v i s i n g o f RS ma c h i n e s ． Ke y wo r d s r e pe t i t i v e s ho c k ma c hi ne s； f i n i t e e l e ment ； l o we r f r e qu e nc y e ne r g y； e va l u at i on r ul e s； s i mu l a t i on mlmmmmmmmmm，mlmmm，m，，，lm，m，m，，，，Im，mm，m， ，，m，mmm，，- 上接 第 3页 参考文献 [ 1 ] 李治 ， 金先龙 ， 贾 怀玉 ， 等． 产 品设 计知识 的表示与重 用技 术[ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 0 6 7 1 1 8 3 1 1 8 6 ， 1 1 9 1 ． [ 2 ] 杨海 成 ， 廖文 和． 基 于知 识的三维 C AD技术及应 用[ M] ． 北京 科学技术 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 刘 忠途． 基 于知 识的 C AD系统若干关键技术 研究[ D] ． 武 汉 华 中科技 大学 ， 2 0 0 5 1 4 2 2 7 1 ． Kno wl e d g e - b a s e d Co ns t r u c t i o n o f Kn owl e dg e Ba s e o f Pa r a me t r i c De s i g n S y s t e m f o r S t e e r i n g Ge a r s W ANG Chi ， GUO Ga ng． TONG Fu a n， YANG Bi n hu i ， GUO W e i gu a ng Ch o n g qi n g Un i v e r s i t y， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 4 4， Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d i s c u s s e s t h e g e n e r a l s t r u c t u r e o f p a r a me t r i c d e s i g n s y s t e m a n d t h e c o n s t r u c t i v e me t h o d o f k n o wl e d g e b a s e b y s t u d y i n g t h e a p p l i c a t i o n o f KB E i n p r o d u c t d e s i g n ． At l a s t t h e p r a c t i c a l i t y a n d t e c h n i c a l i t y o f t h i s k n o wl e d g e b a s e a r e v e r i f i e d b y a n ex a mpl e． Ke y wo r d s KB E Kn o wl e d g e b a s e d En g i n e e r i n g ； k n o wl e d g e b a s e ； p a r a me t r i c d e s i g n； s t e e r i n g g e a r s 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m