环境振动试验夹具动态分析、结构优化设计及其软件实现

摘要

飞机、导弹等飞行器在其使用过程中会遇到振动、线加速度、温度、噪声等恶劣的环境。
　　 为保证使用可靠性需要通过大量地面环境试验来研究其环境适应能力。
　　 振动试验夹具是连接振动台和试件的过渡装置，起着固定试件和传递力的作用。理想的夹具是在试验条件下不出现共振影响，并且具有足够的刚度将振动台的能量传递给试件。夹具的动态特性直接影响环境实验结果是否合理，动态特性差的夹具会出现环境实验有时对试验件的考核处于欠考核状态，达不到环境振动试验考核的真正目的，不利于真实暴露产品的设计和制造缺陷；有时对试验件的考核处于过考核状态，将有可能造成本来合格的产品而无法通过振动环境试验，这将给产品的研制进程造成极大的障碍。如果振动台与试件或动圈发生共振都会影响试验完成或导致试验失败。传统设计设计过程周期长、费用高、效率低，并且得到的仅仅是可行的设计方案而并非是最优的设计方案。因此，试验夹具的动态优化设计显得尤为重要。
　　 目前结构动力优化问题的研究已有大量成果，多数是使用模态频率和振型等模态参数进行优化，本文夹具的动态特性优化是一种随机振动载荷下的结构动力优化问题。因此，本文将功能强大的工程计算软件MATLAB 与有限元分析软件MSC.Patran 与MSC.Nastran 结合，实现了MATLAB 与有限元软件的连接，从而为解决结构动力优化软件通用性问题提供了一种新思路。
　　 在软件实现的基础上，本文又以环境振动试验夹具为研究对象，以夹具的几何参数和结构参数为设计变量，以夹具的总重量最轻、关键点的振动加速度均方根最小为优化目标，以结构的某一阶频率为约束条件，利用该集成软件对夹具进行了动力优化。为验证优化结果的正确性，加工制作了夹具模型，并对优化前后的夹具进行了环境振动试验。使用模型确认的方法对仿真结果与试验结果存在的误差做了误差分析。