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試驗臺臺面的固有頻率及有限元分析

發布于:2021-01-02 13:23
有限元分析

       本文基于對沖擊試驗臺臺面的固有頻率及動力強度的有限元分析,擬通過建立起臺面的有限元模型,運用模態實驗和有限元計算,識別出臺面的振型、固有頻率,為沖擊試驗臺臺面基于有限元模擬設計提供一定的依據。
       首先,對已有臺面樣機進行了試驗模態測量,分析其結構的動態特性,為進一步改進提供依據。緩沖墊提供脈寬為6 ms到20 ms的半正弦沖擊力,沖擊速度為3.5 m/s,提供的加速度從5 g到100 g不等。脈沖力含有不同的頻率成分,因此需要對臺面進行模態分析,檢驗臺面和脈沖力的頻率成分,如果頻率耦合程度強,則需要修正臺面結構設計。
       對本沖擊試驗系統而言,最惡劣的環境條件為D=6 ms。當D=6 ms時,要保證工作臺面產生的波形不失真,工作臺面的固有周期應小于0.0006 s,工作臺面的固有頻率應大于1 667 Hz。要保證波形失真小于10%,工作臺面的固有周期應小于0.0027 s,工作臺面的固有頻率應大于370 Hz。實際應用中,要保證工作臺面的固有頻率大于1667 Hz是十分困難的,因此只要保證工作臺面的固有頻率大于370 Hz,在工程應用中可以滿足需求。臺面受到沖擊時,近似自由邊界條件,因此計算時采用自由邊界條件。
       臺面結構主要由上下平板和橫縱肋板構成,結構復雜,按照設計圖紙,采用Pro/E準確建立模型后,導入有限元通用計算軟件ANSYS進行計算。
       結構網格模型及坐標,單元選用solid45,共劃分成20306個節點,83521個單元。圖1為臺面有限元模型。
       脈寬為6 ms的沖擊激勵包括的主要頻率成分都遠離臺面的固有頻率成分,滿足沖擊試驗要求。這對進行瞬態動力響應求解,動強度校核也是有利的,說明結構設計是比較合理的。臺面的一階固有頻率為442.39 Hz,遠大于保證波形失真小于10%的臺面最小頻率370 Hz,可滿足波形失真要求。
       臺面承受沖擊響應,主要進行動強度校核。但靜強度分析對動強度分析也具有參考作用。動強度校核按最不利設計要求的100個重力加速度,最大負載3噸作用下校核。動強度校核方法,結構自重1噸,負載通過螺釘與臺面連接,在短暫的碰撞過程中,認為負載通過螺釘對臺面的沖擊為最危險情況,緩沖器近似認為臺面的約束條件,進行瞬態動力學分析。
       靜強度分析
       縱邊方向導桿約束,3噸負載作用在臺面中心時強度校核,按四個螺釘、四個集中力處理從表2看出,在非沖擊狀態下,應力值遠遠小于許用應力值175 Mp(2)動強度校核臺面結構有許多肋板加強結構承載能力,在相同負載情況下,螺釘布置應均勻分布,充分利用肋板的加強作用,這樣能夠承受更大的沖擊載荷。碰撞過程中,負載臺面接觸位置,面積的大小直接確定著瞬態分析過程中載荷施加的方式與大小,對結構強度校核具有重要意義。沖擊力大小可近似按有效接觸面積均布。沖擊過程的脈沖力時程曲線按脈寬為6 ms的半正弦波如圖描述,沖擊力幅值按負載獲得100 g加速度的慣性力施加。


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