冲击试验台台面的固有频率及强度分析

　　1　引言

　　本文基于对冲击试验台台面的固有频率及动力强度的分析,拟通过建立起台面的有限元模型,运用模态实验和有限元计算,识别出台面的振型、固有频率,为冲击试验台台面基于有限元模拟设计提供一定的依据。

　　2　冲击试验台面有限元仿真分析

　　2.1　模态试验设计及过程

　　首先,对已有台面样机进行了试验模态测量,分析其结构的动态特性,为进一步改进提供依据。缓冲垫提供脉宽为6 ms到20 ms的半正弦冲击力,冲击速度为3.5 m/s,提供的加速度从5 g到100 g不等。脉冲力含有不同的频率成分,因此需要对台面进行模态分析,检验台面和脉冲力的频率成分,如果频率耦合程度强,则需要修正台面结构设计。

　　对本冲击试验系统而言,最恶劣的环境条件为D=6 ms。当D=6 ms时,要保证工作台面产生的波形不失真,工作台面的固有周期应小于0.000 6 s,工作台面的固有频率应大于1 667 Hz。要保证波形失真小于10%,工作台面的固有周期应小于0.002 7 s,工作台面的固有频率应大于370 Hz。实际应用中,要保证工作台面的固有频率大于1 667 Hz是十分困难的,因此只要保证工作台面的固有频率大于370 Hz,在工程应用中可以满足需求。

　　台面受到冲击时,近似自由边界条件,因此计算时采用自由边界条件。

　　台面结构主要由上下平板和横纵肋板构成,结构复杂,按照设计图纸,采用Pro/E准确建立模型后,导入有限元通用计算软件ANSYS进行计算。结构网格模型及坐标,单元选用solid45,共划分成20 306个节点,83 521个单元。

　　图1为台面有限元模型。图2~图5为台面振型。

　　·材料为ZL401。

　　计算参数为:弹性模量E 66.4GPa;泊松比0.3;密度2 700 kg/m3。

　　单元选用solid45单元,模态分析采用分块Lanczos方法。去除6个零频率值(对应刚体运动形式),取前四阶模态值。计算结果如表1。

　　2.2　试验结果

　　脉宽为6 ms的冲击激励包括的主要频率成分都远离台面的固有频率成分,满足冲击试验要求。这对进行瞬态动力响应求解,动强度校核也是有利的,说明结构设计是比较合理的。

　　台面的一阶固有频率为442.39 Hz,远大于保证波形失真小于10%的台面最小频率370 Hz,可满足波形失真要求。

　　3　台面强度校核和动力响应分析

　　台面承受冲击响应,主要进行动强度校核。但静强度分析对动强度分析也具有参考作用。动强度校核按最不利设计要求的100个重力加速度,最大负载3吨作用下校核。动强度校核方法,结构自重1吨,负载通过螺钉与台面连接,在短暂的碰撞过程中,认为负载通过螺钉对台面的冲击为最危险情况,缓冲器近似认为台面的约束条件,进行瞬态动力学分析。