基于ANSYS的振動(dòng)工裝夾具的設(shè)計(jì)和仿真

鞠明洋

（陜西科技大學(xué)阿爾斯特學(xué)院，西安 710021）

引言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展下，工裝夾具的設(shè)計(jì)取得了有效的創(chuàng)新，不僅在理論上應(yīng)用了新的模態(tài)分析理論，同時(shí)，在設(shè)計(jì)方法上，還研發(fā)了一種功能多樣、通用性強(qiáng)的有限元分析軟件，如ANSYS軟件。目前，國(guó)外多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家均利用有限元分析軟件，對(duì)振動(dòng)臺(tái)夾具進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，使得該工裝夾具的使用性能得以大幅度提高。所以在ANSYS軟件的應(yīng)用背景下，如何對(duì)振動(dòng)工裝夾具進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和仿真是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 振動(dòng)工裝夾具設(shè)計(jì)

1.1 夾具設(shè)計(jì)要求

本文所設(shè)計(jì)的工裝夾具主要用于后期振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)的開展，整個(gè)試驗(yàn)所用到的激勵(lì)源呈現(xiàn)出隨機(jī)振動(dòng)狀態(tài)，并沿著垂直方向和水平方向進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)。在進(jìn)行振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)期間，試驗(yàn)剖面主要以下兩種剖面組成，分別是量級(jí)剖面和譜密度剖面，其中，量級(jí)剖面屬于典型的步進(jìn)應(yīng)力剖面，其量級(jí)值由低到高逐漸增加，當(dāng)達(dá)到電動(dòng)臺(tái)的極限量量級(jí)時(shí)，其量級(jí)停止增加，所以，振動(dòng)強(qiáng)度普遍較高。另外，應(yīng)力譜密度剖面通常表現(xiàn)出較高的寬頻帶特性，可以快速地發(fā)現(xiàn)和處理比較敏感的引信缺陷問題，所以，在設(shè)置電動(dòng)臺(tái)的的頻率范圍期間，要沿著垂直方向，將其范圍設(shè)置為5～3 000 Hz之間，沿著水平方向，將其范圍設(shè)置為5～2 000 Hz之間。此外，還要嚴(yán)格按照以下工裝夾具設(shè)計(jì)要求，對(duì)該夾具進(jìn)行科學(xué)化、規(guī)范化設(shè)計(jì)。第一，夾具的首階固有頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最高試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的頻率，也就是說夾具沿著垂直方向所對(duì)應(yīng)的首階固有頻率要控制在3 000 Hz以上，沿著水平方向的首階固有頻率必須控制在2 000 Hz以上。固有頻率計(jì)算公式為

式中：

f—固有頻率；

k—工裝剛度；

m—工裝質(zhì)量。

第二，夾具與連接面上所對(duì)應(yīng)的各個(gè)連接點(diǎn)必須保持相同的響應(yīng)速度，使得試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)輸入表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和均勻性。第三，要盡可能提高工裝夾具的剛度，確保其能夠承受較高的振動(dòng)強(qiáng)度。第四，工裝夾具在實(shí)際運(yùn)動(dòng)期間，要確保其沿著橫向運(yùn)動(dòng)幅度的穩(wěn)定性。第五，當(dāng)夾具和試件被同時(shí)安裝和固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)，要確保振動(dòng)臺(tái)面與復(fù)合夾具之間的距離達(dá)到最小，使得夾具重心變得越來越低，從而保證夾具的穩(wěn)定性和可靠性。第六，工裝夾具的阻尼要盡可能大，其波形失真程度要盡可能小。第七要確保所設(shè)計(jì)的工裝夾具具有穩(wěn)定的機(jī)械性能，首先，要嚴(yán)格按照所設(shè)置好的被試件產(chǎn)品使用要求，對(duì)被試件的當(dāng)前安裝效果進(jìn)行真實(shí)化模擬。同時(shí)，還要嚴(yán)格按照振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備安裝和固定步驟，科學(xué)控制夾具重心位置。此外，還要確保所設(shè)計(jì)的工裝夾具表現(xiàn)出一定的多功能性、加工簡(jiǎn)易性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。第八在控制工裝夾具質(zhì)量時(shí)，要在滿足振動(dòng)試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，盡可能降低夾具的質(zhì)量，確保其表現(xiàn)出質(zhì)量較輕的特點(diǎn)。總之，要想進(jìn)一步提高工裝夾具的設(shè)計(jì)水平和效果，設(shè)計(jì)人員必須要嚴(yán)格遵循以上設(shè)計(jì)原則，提高夾具的使用性能。

1.2 夾具材料選擇

目前，比較常用的夾具材料主要包含以下幾種：①鋁材。鋁材通常表現(xiàn)出密度小剛度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，該材料被廣泛地應(yīng)用于工裝夾具中，并取得了良好的應(yīng)用效果。②鋼材。鋼材表現(xiàn)較高的密度和質(zhì)量，但是，其阻尼相對(duì)較小，導(dǎo)致鋼制夾具所對(duì)應(yīng)的固有頻率普遍較低，不滿足高頻率工裝夾具設(shè)計(jì)要求[1]。③鎂材。鎂材表現(xiàn)出質(zhì)量輕、阻尼大、焊接簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以制更加優(yōu)質(zhì)的工裝夾具材料，但是，鎂材具有一定易燃性，因此，不能將其應(yīng)用于工裝夾具制作中。通過全面地對(duì)比和分析工裝夾具應(yīng)用材料特點(diǎn)，將LY12鋁合金材料設(shè)置為工裝夾具制作材料，LY12鋁合金材料的特性如表1所示。

表1 LY12鋁合金材料的特性

1.3 夾具初步設(shè)計(jì)

在充分結(jié)合工裝夾具外形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照夾具設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，利用SolidWorks軟件，對(duì)工裝夾具三維圖進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，夾具的三維圖形如圖1所示。夾具初步設(shè)計(jì)原則如下：①將工裝夾具設(shè)計(jì)成以下兩種獨(dú)立結(jié)構(gòu)，分別是長(zhǎng)方體和圓柱體，降低加工難度和加工成本。②將夾具重心降到最低[2]，并優(yōu)先選用對(duì)稱設(shè)計(jì)法，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。③確保振動(dòng)臺(tái)能夠安全、可靠地傳遞到夾具中。整個(gè)工裝夾具主要由夾具上體和夾具下體兩個(gè)部分組成，這兩個(gè)部分主要借助內(nèi)六角螺釘建立良好的連接關(guān)系[3]。夾具下體為長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)、寬、高分別為130 mm、130 mm、32 mm，使用內(nèi)六角螺釘可以將其與振動(dòng)臺(tái)之間進(jìn)行有效、穩(wěn)定地連接，中間設(shè)置相應(yīng)的螺紋孔，確保夾具上體插入到夾具下體中間位置。夾具下體外觀呈現(xiàn)出直徑為110 mm、高為27 mm的圓柱體[4]，中間設(shè)置相應(yīng)的弧形孔，通過將工裝夾具設(shè)置為這種結(jié)構(gòu)，可以降低工裝夾具在整個(gè)試驗(yàn)中重心，確保工裝夾具表現(xiàn)出頻響特性穩(wěn)定，橫向運(yùn)動(dòng)良好等特點(diǎn)[5]。

圖1 夾具的三維圖形

2 ANSYS軟件仿真

2.1 有限元模態(tài)分析理論

通過利用有限元分析法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地劃分，在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)到動(dòng)力平衡狀態(tài)[6]，此外，對(duì)于多個(gè)工裝夾具構(gòu)成的復(fù)合夾具而言，不同夾具之間的連接可以產(chǎn)生相應(yīng)的串聯(lián)彈簧性質(zhì)或者并聯(lián)彈簧性質(zhì)。當(dāng)串聯(lián)彈簧表現(xiàn)出一定的大撓度性時(shí)，其總撓度值大小與最軟彈簧之間存在密切聯(lián)系[7]；當(dāng)并聯(lián)彈簧表現(xiàn)出一定的小撓度性時(shí)，其總撓度值大小與最硬彈簧之間存在著密切聯(lián)系。由此可見，當(dāng)工裝夾具剛度大且質(zhì)量輕時(shí)，可以獲得相對(duì)較高的固有頻率，同時(shí)，在使用復(fù)合夾具期間，要綜合考慮串并聯(lián)狀態(tài)對(duì)夾具剛度所產(chǎn)生的作用和影響。在處理多自由度復(fù)雜模型時(shí)，技術(shù)人員要優(yōu)先選用子空間迭代法，對(duì)工裝夾具的固有頻率進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

2.2 ANSYS模態(tài)分析

對(duì)于工裝夾具而言，主要由以下兩個(gè)部分組成，分別是上體和下體，在進(jìn)行垂直隨機(jī)振動(dòng)期間，夾具上體和下體經(jīng)過組合可以獲得串聯(lián)彈簧性質(zhì)[8]。在進(jìn)行水平隨機(jī)振動(dòng)期間，夾具的上體和下體經(jīng)過組合可以獲得并聯(lián)彈簧性質(zhì)。利用子空間迭代法模態(tài)分析工裝夾具期間，一旦該夾具無法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)處理，然后，對(duì)改進(jìn)處理后的夾具進(jìn)行模態(tài)分析。由于工裝夾具實(shí)體通常表現(xiàn)出一定的簡(jiǎn)單性，所以，通過借助四面體單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具的科學(xué)劃分，從而全面地了解和把握物理模型的實(shí)際情況，同時(shí)，還確保計(jì)算流程的簡(jiǎn)單性。在此基礎(chǔ)上，通過使用四個(gè)螺釘，將夾具安裝和固定在振動(dòng)臺(tái)上。通過利用ANSYS軟件對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析，所獲得的夾具的有限元模型如圖2所示。

圖2 夾具的有限元模型

所獲得的夾具仿真自振頻率如表2所示。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，通過利用ANSYS軟件，對(duì)工裝夾具進(jìn)行模態(tài)分析，可以確保所設(shè)計(jì)的工裝夾具更好地滿足振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

嚴(yán)格按照所設(shè)置好的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對(duì)工裝夾具進(jìn)行科學(xué)化加工，溶蝕，采用單點(diǎn)激振錘擊測(cè)量法，對(duì)工裝夾具進(jìn)行科學(xué)化試驗(yàn)，其測(cè)試系統(tǒng)組成原理如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)組成

此外，通過利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試法，對(duì)工裝夾具進(jìn)行測(cè)試，獲得如表3所示的夾具自振頻率，然后，全面地對(duì)比和分析表3和表2中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果幾乎吻合，這表明ANSYS軟件模態(tài)分析在工裝夾具設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出一定的可靠性和有效性。

表2 夾具仿真自振頻率

表3 夾具整體試驗(yàn)自振頻率

4 結(jié)束語

綜上所述，通過利用ANSYS軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)好的工裝夾具進(jìn)行科學(xué)化模態(tài)分析，并精確地計(jì)算出該夾具的固有頻率，然后，采用試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對(duì)該夾具仿真的可靠性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：通過向該夾具的模態(tài)分析中，應(yīng)用有限元分析法，可以保證最終計(jì)算結(jié)果的有效性和可靠性。另外，通過利用有限元軟件，對(duì)設(shè)計(jì)后或者制作前的工裝夾具進(jìn)行仿真，可以有效地改進(jìn)和優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)和材料，確保夾具滿足相關(guān)性能要求，從而獲得最佳設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到減少夾具設(shè)計(jì)時(shí)間的目的。