大尺寸高频振动台的设计

　　1　引　言

　　振动台系统按其激振方式的不同可以分为3类:机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。机械式和电液式振动台最大的不足是其高频性能较差,上限工作频率较低,波形失真度较大。电动式振动台波形失真度小、工作频率范围大,但是随着尺寸的增大,其工作频率范围也会相应变窄。一般小型电动式振动台的频率范围为0~10kHz,大型振动台频率范围为0~2kHz。驱动线圈和运动部件是电磁振动台的核心部件,它的一阶共振频率决定了振动台的工作频率范围。应某军工单位的请求,设计满足振动频率大于2000Hz、推力大于1000N、台面尺寸为860mm×400mm,且台面振动均匀的电磁振动台。这就对振动台提出了以下几点要求:①结构共振频率要高于工作频率的上限;②台面不允许出现膜片化;③整个结构质量尽可能轻。

　　2　运动部件振动方程

　　振动台的运动实际上是刚体运动和变形运动的耦合。根据多体动力学分析方法,振动台的动力学方程为[1]:

　　μ,λ———拉梅常数

　　Ω,.Ω———分别为物体的绝对角速度和角加速度向量

　　u1———弹性位移向量,

　　-ρ1———物体的密度,kg/m3

　　———物体的质心加速度,m/s2

　　σij———物体内的应力张量

　　x0———初始位移,m

　　v0———初始速度,m/s

　　3　运动部件有限元模型

　　振动台的运动部件由动圈和台面组成,其弹性振动方程满足式(1)。为了提高其轴向共振频率,采用动圈骨架和台体一体化结构,并且选用比刚度较大的铝合金材料。动圈和台体均采用八节点块体单元,其有限元模型,如图1所示。然后采用自由网格划分的方法来对其进行网格划分。

　　4　运动部件模态分析

　　采用有限元法对运动部件进行模态分析。输入材料参数:杨氏模量E =7×1010N/m²,密度ρ=2700kg/m³,泊松比μ=0.33;模型主要尺寸:台面860mm×400mm,台体厚度为20mm,动圈内径98mm,外径128mm。从所得结果中取出阶振型,忽略前6阶刚体模态。各阶自振频率,如表1所示。相应的各阶振型,如图2所示。

　　从图2可以看出,第1阶振型是台体和动圈在它们的连接处绕z轴作相对运动,而动圈本身没有轴向运动,台面本身也没有弯曲运动。由于所加的激振力是沿x轴方向的,所以这阶振型在振动的过程中是不会被激发出来的。第2阶振型则是台体和动圈绕y轴作相对运动,同样也不会被激发出来。