復(fù)雜振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)影響分析

武文超，秦 昀，徐國(guó)權(quán)，濮龍鋒（．泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 00； ．蘇州旭博檢測(cè)服務(wù)有限公司，蘇州 050）

復(fù)雜振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)影響分析

武文超1，秦 昀1，徐國(guó)權(quán)1，濮龍鋒2
（1．泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2．蘇州旭博檢測(cè)服務(wù)有限公司，蘇州 205101）

隨著對(duì)汽車(chē)上的復(fù)雜系統(tǒng)振動(dòng)環(huán)模的深入考察，也對(duì)試驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁叩囊螅员ＷC產(chǎn)品完成力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)。基于某高端車(chē)型的前端冷卻模塊，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)際研究工作得出復(fù)雜邊界條件的振動(dòng)工裝對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

振動(dòng)工裝；掃頻；CAE分析

引言

振動(dòng)試驗(yàn)是考查產(chǎn)品在使用過(guò)程中對(duì)路面激勵(lì)耐久度的考察，是環(huán)境試驗(yàn)的重要組成部分。根據(jù)產(chǎn)品的不同功能和位置，振動(dòng)試驗(yàn)的考察方式有所不同，表現(xiàn)為三種形式：沖擊、隨機(jī)振動(dòng)、撓曲振動(dòng)。本文所應(yīng)用的實(shí)例執(zhí)行的振動(dòng)試驗(yàn)為沖擊和隨機(jī)振動(dòng)的組合要求。振動(dòng)工裝是連接被試產(chǎn)品與振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的中間裝置，關(guān)系系試驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行；振動(dòng)工裝的設(shè)計(jì)影響試驗(yàn)結(jié)果的可信程度（過(guò)試驗(yàn)、欠試驗(yàn)），工程最優(yōu)設(shè)計(jì)是能把振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和能量不失真的傳遞給被試產(chǎn)品，即在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)其可視為剛體，一般要求其第1階固有頻率大于試驗(yàn)的最高頻率。

實(shí)際中：對(duì)小型夾具、低頻試驗(yàn)其可視為剛體；對(duì)大型夾具、高頻試驗(yàn)將其視為剛體是不現(xiàn)實(shí)的。在共振區(qū)域其輸入、輸出及各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)將不在保持相同的值，影響試驗(yàn)。

對(duì)振動(dòng)工裝的要求如下：

1）機(jī)械：滿足被試產(chǎn)品的安裝要求，盡量模擬被試產(chǎn)品的實(shí)際安裝狀態(tài)；滿足振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備的安裝要求，關(guān)注重心的重合度；同時(shí)考慮多功能性、加工的工藝和方便程度及周期、經(jīng)濟(jì)性等。

2）質(zhì)量：在滿足試驗(yàn)條件和振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備能力要求下盡可能輕。

3）傳遞特性：我國(guó)尚未制定夾具要求標(biāo)準(zhǔn)，參照美國(guó)桑迪亞公司提出的夾具標(biāo)準(zhǔn)介紹如表1所示。

通過(guò)以上分析可以看出，振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)原則是在滿足試件安裝的前提下，使夾具盡可能質(zhì)量小、剛度大、在試驗(yàn)頻段不出現(xiàn)或削弱共振，振動(dòng)夾具把振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)不失真地傳遞給試件，理論上振動(dòng)夾具在試驗(yàn)頻帶范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)諧振峰。對(duì)于復(fù)雜的大型振動(dòng)夾具，很難達(dá)到以上要求，因此工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)是成為一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工作。工程中，工裝的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

表1 夾具設(shè)計(jì)規(guī)范——傳遞特性

1）資料收集：被試品特性；試驗(yàn)設(shè)備特性；試驗(yàn)條件等。

2） 機(jī)械設(shè)計(jì)：被試品和試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械接口、試驗(yàn)方向、重心重合、重量、材料優(yōu)先選用比剛度大、阻尼大的鋁、鎂及其合金，盡可能不選鋼；工藝優(yōu)先選用整體鑄造，其次選用焊接和螺接；結(jié)構(gòu)形式優(yōu)先選用對(duì)稱(chēng)封閉形式。

3）仿真計(jì)算：模態(tài)分析計(jì)算固有頻率及振型；響應(yīng)分析計(jì)算各點(diǎn)響應(yīng)特性；強(qiáng)度分析校核動(dòng)強(qiáng)度是否滿足。有條件可將動(dòng)圈和夾具合成在一起進(jìn)行仿真分析。

4）優(yōu)化設(shè)計(jì)：在仿真分析的基礎(chǔ)上反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足機(jī)械接口、試驗(yàn)條件、傳遞特性、動(dòng)強(qiáng)度等要求。

本文通過(guò)一種汽車(chē)中多連接、復(fù)雜外表的振動(dòng)模塊的試驗(yàn)為實(shí)例載體，進(jìn)行沖擊和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)CAE分析和最終振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明可靠的振動(dòng)試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要性。

1 復(fù)雜產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)

下面以減震支撐的前端冷卻模塊（CRFM）振動(dòng)試驗(yàn)為例，對(duì)工裝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

CRFM是由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和空調(diào)系統(tǒng)的散熱功能零件集成在一起組成的模塊，位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，組成為水箱、冷凝器、中冷器、外置油冷器、風(fēng)扇， 其中水箱是唯一與車(chē)架連接的零件，風(fēng)扇在水箱后，中冷器在水箱前為支架連接。與汽車(chē)固定需要通過(guò)減震墊，減震墊與支架連接，支架固定（焊接/螺栓連接）在車(chē)身橫梁上，減震墊本身一般為橡膠產(chǎn)品，減震墊有振動(dòng)特性，與產(chǎn)品裝配在一起考察振動(dòng)耐久試驗(yàn)性能。模塊尺寸為600 mm×600 mm×90 mm。

CRFM的振動(dòng)試驗(yàn)包括三方向的沖擊和隨機(jī)振動(dòng)，三向沖擊矢量方向均在21～27 G之間，振動(dòng)譜為頻域譜如圖1，三軸加速度最大為1.59 m/s2。X向?yàn)榍昂蠓较颍琘向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)沖擊，Z向?yàn)榇瓜驔_擊。三個(gè)方向的沖擊要求分別為全球客戶puma數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)方坑沖擊實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，其中Z向沖擊加速度最大，可達(dá)27 G。

隨機(jī)振動(dòng)譜為頻域信號(hào)，是由三十多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況的時(shí)域信號(hào)迭代轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

為了突出說(shuō)明工裝的設(shè)計(jì)對(duì)零件振動(dòng)耐久試驗(yàn)結(jié)果的影響，有工裝A（見(jiàn)圖2）和工裝B（見(jiàn)圖3）兩種設(shè)計(jì)，一臺(tái)工裝同時(shí)做兩個(gè)零件試驗(yàn)，為了控制單個(gè)變量以方便對(duì)比，選取工裝A為焊接加部分鋁制板材結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)在前后方向?yàn)槿切?。工裝B為鋁材全焊接結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻的盒子型，零件安裝在B工裝上位外懸式，有效降低產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品的諧振影響。

復(fù)雜工裝CAE分析

工裝A的夾具+振動(dòng)臺(tái)面的模型如圖4所示。

工裝A夾具壁板、底板、振動(dòng)臺(tái)面材料為鋁合金。壁板和底板的連接方式為螺栓固定并且焊接。固定螺栓為M10，100×100 mm孔間距分布。

在加強(qiáng)筋周?chē)?，加?qiáng)筋與壁板焊接。

鋁合金材料特性設(shè)置如表2。

模型中壁板、底板以及振動(dòng)臺(tái)面采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。螺栓采用梁?jiǎn)卧蛣傂詥卧M。模型中焊縫以實(shí)體單元模擬。圖5～10為工裝A各方向CAE分析結(jié)果。

圖1 隨機(jī)振動(dòng)譜

表2 鋁合金材料特性設(shè)置

圖2 工裝A數(shù)模截圖

圖3 工裝B數(shù)模截圖

圖4 工裝A夾具+振動(dòng)臺(tái)面幾何模型和有限元模型

圖5 X方向第一階模態(tài)頻率187.979 3 Hz

圖6 X方向第二階模態(tài)頻率453.400 1 Hz

圖7 Y方向第一階模態(tài)頻率287.406 0 Hz

圖8 Y方向第二階模態(tài)頻率660.002 1 Hz

圖9 Z方向第一階模態(tài)頻率522.894 8 Hz

圖10 Z方向第二階模態(tài)頻率704.110 3 Hz

表3 工裝A和工裝B模態(tài)頻率對(duì)比

工裝B模型中壁板、底板以及振動(dòng)臺(tái)面采用四面體加六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。螺栓采用梁?jiǎn)卧蛣傂詥卧M。模型中焊縫以實(shí)體單元模擬。材料與工裝A的相同見(jiàn)表3。

2 應(yīng)用實(shí)例與分析

工裝實(shí)際掃頻和試驗(yàn)結(jié)果：

在振動(dòng)臺(tái)上對(duì)振動(dòng)夾具、減震墊特性分別進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)加載試驗(yàn)，在振動(dòng)夾具的底部、上下支架處，和產(chǎn)品模態(tài)點(diǎn)處分別布加速度傳感器，加速度傳感器在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下，可以在局部可能有共振的地方盡可能多的布置，主要測(cè)點(diǎn)如圖11所示。

圖11 工裝A加速度傳感器布置示意圖

表4～6列出了工裝A和工裝B的掃頻對(duì)比數(shù)據(jù)，掃頻方法有三種：

考察工裝一階共振點(diǎn)——圖11所示，將工裝地板固定在試驗(yàn)臺(tái)架臺(tái)面上，輸入點(diǎn)設(shè)在工裝底板如圖中C1，設(shè)置輸入為1 g，由7～250 hz進(jìn)行掃頻，找出工裝最易變形同時(shí)對(duì)輸入的放大效果最大的點(diǎn)，上部安裝支架處的一階共振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率。

考察關(guān)鍵組成子零部件——減震墊特性，減震墊對(duì)模塊耐沖擊性能起了關(guān)鍵的作用，輸入為25 g，在10 ms內(nèi)完成半正弦沖擊。

考察產(chǎn)品與工裝裝配后的諧振性能——輸入點(diǎn)設(shè)在工裝底板如圖中C1，設(shè)置輸入為1 g，由7～250 Hz進(jìn)行掃頻，考察點(diǎn)為產(chǎn)品模態(tài)顯示最低點(diǎn)的加速度和頻率值。

可以看出工裝B的一階共振點(diǎn)大，減震墊特性好，工裝對(duì)輸入的沖擊放大倍數(shù)小。零件安裝在工裝上的一階共振反饋則差不多，圖12和圖13為工裝性能和減震墊特性掃頻舉例。

圖12是工裝B的掃頻曲線，反饋共振點(diǎn)為184 Hz。

圖13為減震墊特性曲線CRFM上水箱的上中兩點(diǎn)，反饋峰值45 g。

表3 工裝一階共振點(diǎn)反饋

表4 減震墊特性反饋

表5 產(chǎn)品與工裝裝配后的諧振性能

圖12 工裝B掃頻曲線Z向——監(jiān)測(cè)點(diǎn)為最上方安裝支架

通過(guò)對(duì)成熟零件進(jìn)行四輪試驗(yàn)，結(jié)果一致顯示，用工裝B執(zhí)行試驗(yàn)通過(guò)，工裝A執(zhí)行試驗(yàn)在不同方向有不同的失效模式，表現(xiàn)為Y向風(fēng)扇沖擊水箱翅片導(dǎo)致水箱泄露的實(shí)效模式，如圖14所示。當(dāng)進(jìn)行Z向的隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，頻繁發(fā)生一致的實(shí)效模式中冷器的安裝支架斷裂，如圖15所示。說(shuō)明工裝A的設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品造成了過(guò)試驗(yàn)的影響。與掃頻結(jié)果一致。在此要說(shuō)明的是，過(guò)試驗(yàn)不代表試驗(yàn)要求更加嚴(yán)苛，而是對(duì)于產(chǎn)品的薄弱處進(jìn)行了錯(cuò)誤的導(dǎo)向，有可能指引產(chǎn)品錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)理念。

圖13 減震墊特性曲線——監(jiān)測(cè)點(diǎn)為水箱上中部

3 結(jié)論

振動(dòng)試驗(yàn)工裝的設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)有直接影響，本文通過(guò)舉例對(duì)比分析CAE和實(shí)際試驗(yàn)，證明了仿真和工裝掃頻分析對(duì)試驗(yàn)的正確執(zhí)行缺一不可，振動(dòng)試驗(yàn)工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)的正確執(zhí)行有至關(guān)重要的作用。

圖14 Y向隨機(jī)振動(dòng)失效——水箱扁管泄露

圖15 Z向隨機(jī)振動(dòng)失效——中冷器安裝支架斷裂

[1]孫依禺. 薄壁件柔性?shī)A持工裝的仿真技術(shù)研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)航空航天大學(xué), 2013.

[2]劉晶鑫. 振動(dòng)工裝固有頻率的分析[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2014, 12:53-55.

[3]Weui Bong Jeong,Wan Suk Yoo,Jun Yeop Kim. Sensitivity analysis of anti-resonance frequency for vibration test control of a fixture[J]. KSME International Journal,2003,1711.

[4]Jun -Yeop Kim,Eul -Jae Yoon,Sung -Jo Chang,Do -Young Kim,Weui -Bong Jeong. A study on the determination of optimal reference spectrum for random vibration control in environmental vibration test[J]. KSME Journal,1996,102.

[5]Meredith N,Book K,Friberg B,Jemt T,Sennerby L. Resonance frequency measurements of implant stability in vivo. A crosssectional and longitudinal study of resonance frequency measurements on implants in the edentulous and partially dentate maxilla [J]. Clinical oral implants research,1997,83:.

Analysis on Influence of Design of Complex Fixture on Vibration Test

WU Wen-chao1, QIN Yun1, XU Guo-quan1, PU Long-feng2
(1. Pan Asia Technical Automotive Center, Shanghai 201201; 2. Suzhou Xubo Testing Service Co., Ltd., Suzhou 205101)

With the profound investigation on the vehicle’s complex system vibration mode, the higher requirements for testability are put forward, in order to guarantee the accomplishment of vibration test. Based on the front cooling module of a high-end model, the design analysis and experimental verification of vibration test fixture are provided. In addition, the influence of vibration fixture on test results in the condition of complex boundary through actual research work, which has instructive significance for product design.

vibration fixture; vibration sweep; CAE analysis

U467.3

A

1004-7204（2017）01-0011-06

武文超（1979-），男，上海市人，泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部高級(jí)經(jīng)理，一直從事汽車(chē)產(chǎn)品檢測(cè)與認(rèn)證、環(huán)境與可靠性試驗(yàn)領(lǐng)域的研究。