基于Pro/Mechanica的T型工裝優(yōu)化設(shè)計分析

王 鎮(zhèn)，陳順利，趙學琴

(1.北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100854；2.北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責任公司 新品研發(fā)部 研發(fā)中心，北京 102600)

基于Pro/Mechanica的T型工裝優(yōu)化設(shè)計分析

王 鎮(zhèn)1，陳順利1，趙學琴2

(1.北京航天光華電子技術(shù)有限公司，北京 100854；2.北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責任公司 新品研發(fā)部 研發(fā)中心，北京 102600)

對于不斷發(fā)展中的產(chǎn)品，其使用環(huán)境也在發(fā)生變化，這對產(chǎn)品的力學環(huán)境試驗能力提出了更高的要求。為了保障產(chǎn)品順利完成力學試驗驗證，需要對工裝設(shè)計進行嚴格把關(guān)。通過應用Pro/Mechanica對某T型工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行有限元分析、設(shè)計參數(shù)模態(tài)分析和靈敏度分析，并建立以1階固有頻率為目標函數(shù)，工裝質(zhì)量為約束的優(yōu)化數(shù)學模型，對參數(shù)尺寸進行了最優(yōu)計算。通過這一優(yōu)化設(shè)計分析，在滿足振動技術(shù)要求的同時，把產(chǎn)品設(shè)計與三維仿真及有限元分析系統(tǒng)有效地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)了工裝設(shè)計的高效率、低成本和自動化要求。

Pro/E；Mechanica；T型；工裝；優(yōu)化設(shè)計

設(shè)備在使用和運輸過程中可能遭受各種振動、沖擊和加速度載荷。為了對產(chǎn)品設(shè)計進行驗證，就需要在環(huán)境例行實驗室對各單板或整機進行正弦、隨機、 離心以及沖擊等多種形式的力學試驗。試驗中由于各產(chǎn)品安裝接口不同、結(jié)構(gòu)形式各異，需要利用振動工裝連接振動臺和待振產(chǎn)品， 并將振動臺上的振動量級傳遞到待振產(chǎn)品上。試驗過程中，通過翻轉(zhuǎn)振動臺或工裝可以實現(xiàn)技術(shù)要求的不同方向振動試驗。由于振動工裝精度較高、易控制、設(shè)計和加工成本低，因此作為一種工藝裝備，在振動試驗中得到較為普遍的應用[1]。

本文以振動工裝設(shè)計中常用的T型結(jié)構(gòu)為研究對象，在Pro/E集成模式下運用Pro/Mechanica對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得出其固有頻率，并根據(jù)靈敏度和優(yōu)化計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)的可靠性進行驗證，改善原設(shè)計參數(shù)的不合理地方。

1 T型工裝設(shè)計及載荷約束定義

1.1 工裝設(shè)計要求

振動工裝的設(shè)計需具備2個輸入條件：1)待振產(chǎn)品的振動條件(包括振動量級、振動方向和振動時間)以及連接方式；2)實驗室中各種振動臺的推力大小、振動方向、臺面尺寸和安裝形式。振動工裝的設(shè)計過程需要綜合考慮多方面要求[2]。

1)材料要求。振動工裝要求材料剛度大、阻尼大，同時為降低振動臺的負載，選取材料的質(zhì)量應盡量小，通常選用鋁等合金材料。

2)結(jié)構(gòu)要求。工裝幾何結(jié)構(gòu)應盡量采用整體對稱式結(jié)構(gòu)，并盡量保證產(chǎn)品安裝后合成質(zhì)心和振動臺振動中心重合，且合成質(zhì)心應盡可能低。

3)連接要求。工裝與振動臺面應有良好的接觸剛度，以保證工裝連接可靠性。

4)頻率要求。工裝固有頻率應盡可能遠離試驗頻率范圍，以避免引起整體共振。

5)加工性。振動工裝應滿足良好的工藝要求，在滿足功能的前提下，減少復雜結(jié)構(gòu)，綜合考慮加工周期和成本控制。

6)操作性。工裝的裝配、拆卸應盡量簡便，盡可能實現(xiàn)模塊化。

T型工裝作為振動工裝的重要結(jié)構(gòu)形式，是多年工裝設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)出來的常用工裝形式。在振動試驗中，常用于整機產(chǎn)品的試驗，通過安裝孔的變換，可以在水平滑臺實現(xiàn)3個方向的振動試驗。然而T型工裝相比于其他工裝結(jié)構(gòu)形式，垂向尺寸大，雖然通過加強筋的加固，但整體質(zhì)心偏高；因此，針對T型工裝優(yōu)化設(shè)計具有一定的典型意義。

1.2 幾何模型建立

根據(jù)某產(chǎn)品的技術(shù)要求，需要研制一款應用于該產(chǎn)品的整機振動試驗工裝。產(chǎn)品為整機箱體結(jié)構(gòu)，兩側(cè)帶有安裝支腳，外形尺寸為254 mm×230 mm×125 mm，產(chǎn)品通過4個支腳安裝在相應位置。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品整機結(jié)構(gòu)模型

工裝設(shè)計以Pro/E為模型設(shè)計軟件，以Pro/Mechanica為分析平臺，對工裝進行模態(tài)分析、靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計[3-4]。在設(shè)計過程中，需要針對產(chǎn)品分技術(shù)條件要求，盡可能模擬整機實際裝配形式，充分考慮振動量級及方向性。最終確定工裝采用T型結(jié)構(gòu)(見圖2)，待振產(chǎn)品通過立板安裝孔固定，同時立板背面焊接4個加強筋并增加穿桿螺栓，保證整體強度。由于該類型工裝方案質(zhì)心較高，因此需要通過Mechanica進一步論證及優(yōu)化。

圖2 建立幾何結(jié)構(gòu)模型

1.3 工裝材料屬性定義

根據(jù)工裝設(shè)計要求，T型工裝采用2A12-H112鋁板材料。在Mechanica分析模塊下，定義模型材料密度ρ=2.7×103kg/m3，楊氏模量E=70 GPa，泊松比μ=0.33，抗拉強度Rm=40～50 MPa，伸長率A=0.5～0.7，折彎Y因子=0.5。

1.4 約束條件定義

工裝與振動臺通過8個M12內(nèi)六角螺釘(GB/T 70—2000)固定聯(lián)接。選取工裝底部螺栓孔內(nèi)壁作為銷釘約束，分別限制角度約束和軸約束以固定T型工裝。

為增加工裝整體強度，立板設(shè)置2個對稱穿桿螺栓，從立板頂端連接至振動臺面。為簡化計算，定義螺栓為銷釘聯(lián)接，并限制其角度約束和軸向約束。定義后的工裝約束條件如圖3所示。

圖3 定義約束及載荷

2 工裝結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及靈敏度分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是優(yōu)化分析的基礎(chǔ)，其待求參數(shù)為固有頻率和振型，關(guān)鍵在于求解出一階固有頻率。產(chǎn)品隨機振動的頻率一般為20～2 000 Hz，如果一階固有頻率太低，則系統(tǒng)在振動過程中會產(chǎn)生共振，需要返回建模階段進行修改和優(yōu)化模型；若固有頻率過高，則會使工裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量無謂增加。

在Pro/Mechanica模塊下，系統(tǒng)將自動進行網(wǎng)格劃分，并可以實現(xiàn)建立模型到分析模型的無縫對接，因此建模后可直接進行標準模態(tài)分析。工裝一階～四階的振型圖如圖4所示。

通過分析，得到該工裝的各階固有頻率如圖5所示。由圖5可知，T型振動工裝的一階固有頻率為1 391.45 Hz，二階固有頻率為1 408.82 Hz，三階固有頻率為1 438.5 Hz，四階固有頻率為2 532.1 Hz，工裝固有頻率偏低。為提高振動工裝的可靠性，需合理確定結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，提高工裝固有頻率值。

2.2 全局靈敏度分析

全局靈敏度分析是確定參數(shù)對模型某一性能的整體影響情況，尤其對于參數(shù)變化可能引起整體性能突變，通過全局靈敏度分析就可以直觀地表征。選取模型1個或多個關(guān)注參數(shù)，設(shè)定各參數(shù)的變化范圍，并通過圖表形式輸出研究目標隨關(guān)注參數(shù)的變化情況。

設(shè)計參數(shù)作為模型的變量，可以直接或間接影響目標分析。通常可以選取尺寸參數(shù)或者模型特征作為關(guān)注參數(shù)。設(shè)定模型參數(shù)及其變化范圍見表1。

圖4 T型工裝一階～四階振型結(jié)果

圖5 模態(tài)分析各階固有頻率

表1設(shè)計參數(shù)表

尺寸名稱變量代號最小值/mm設(shè)計值/mm最大值/mm底板厚度δd356102030底板寬度Yd398100176200立板斜高Hd364200230300筋板斜高hd420202730

對設(shè)計參數(shù)d356、d398、d364和d420分別進行全局靈敏度分析，輸出各設(shè)計參數(shù)在變化范圍內(nèi)對工裝固有頻率的影響曲線圖(見圖6)。

3 優(yōu)化設(shè)計分析

優(yōu)化設(shè)計是指通過指定研究目標、約束條件和設(shè)計參數(shù)等，在參數(shù)指定范圍內(nèi)求出滿足研究目標和約束條件的最佳解決方案。在進行工裝優(yōu)化設(shè)計中，應以滿足約束為前提，盡可能使工裝達到質(zhì)量小、體積小、尺寸合理以及力學方面最大優(yōu)化等目標條件。

3.1 最優(yōu)化設(shè)計模型

通常，一般約束優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型可歸結(jié)為最優(yōu)化設(shè)計問題，即求解一個n維變量(在約束范圍內(nèi))，使得目標函數(shù)值達到最?。?/p>

3.2 目標函數(shù)及優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)設(shè)計要求選取結(jié)構(gòu)固有頻率為目標函數(shù)，同時在滿足質(zhì)量要求(≤15 kg)的前提下將關(guān)注變量作為研究對象。

依據(jù)上述數(shù)學模型建立優(yōu)化設(shè)計任務并運行，通過插值迭代計算得出一組使目標函數(shù)最優(yōu)化且滿足約束條件的變量值(見表2)。通過優(yōu)化設(shè)計，工裝1階固有頻率相較于之前設(shè)計從1 391.45 Hz提高為1 465.87 Hz，該頻率值已遠離振動試驗中工裝的主工作頻率，因此不會引起系統(tǒng)共振；同時整體工裝質(zhì)量符合目標設(shè)定要求。優(yōu)化結(jié)果報告及優(yōu)化后結(jié)構(gòu)振型頻率如圖7所示。

表2 設(shè)計變量優(yōu)化結(jié)果

圖7 優(yōu)化結(jié)果報告及優(yōu)化后結(jié)構(gòu)振型頻率

4 結(jié)語

本文對T型結(jié)構(gòu)振動工裝進行了有限元分析及優(yōu)化設(shè)計，在整體結(jié)構(gòu)的約束條件下，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，提高了其使用可靠性，并最終形成了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案(見圖8)。

圖8 T型振動工裝結(jié)構(gòu)最終優(yōu)化方案

振動工裝的設(shè)計是綜合振動條件、振動臺性能和結(jié)構(gòu)形式等多種因素的設(shè)計過程，應綜合考慮才能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性。T型振動工裝結(jié)構(gòu)形式簡單，工藝性和經(jīng)濟性良好，操作簡便，對整機類試驗產(chǎn)品振動工裝設(shè)計有一定的指導意義。設(shè)計中應用Pro/Mechanica軟件對虛擬工裝進行結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計，可以有效提高產(chǎn)品設(shè)計的效率，提高試驗驗證的可靠性，節(jié)約設(shè)計生產(chǎn)成本，對設(shè)計生產(chǎn)有著重要的參考借鑒意義。

[1] 鄭華山,陳順利.IF轉(zhuǎn)換器振動工裝的設(shè)計及力學仿真[J].航天制造技術(shù)，2013(4)：59-62.

[2] 孫軍艷．3向振動工裝的設(shè)計與分析[J]．起重運輸機械，2009(9)：73-95.

[3] 趙經(jīng)文,王宏釬.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].2版.北京：科學出版社，2001.

[4] 林龍震.Pro/Mechanica Wildfire 3.0/4.0結(jié)構(gòu)/熱力分析[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 孫靖民,梁迎春.機械優(yōu)化設(shè)計[M].4版.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

責任編輯鄭練

StructureOptimizationDesignoftheTTypeTestFixturebasedonPro/Mechanica

WANG Zhen1, CHEN Shunli1, ZHAO Xueqin2

(1.Beijing Aerospace GuangHua Electronics Technologies Limited Corporation, Beijing 100854, China;2.Beijing Beiyi Innovation Vacuum Technology CO., LTD., Beijing 102600, China)

According to the development of products, the using environment is also changing, the testing ability of mechanical environmental is needing improving. In order to accomplish the mechanics experiment, we need to design a better fixture. This paper principally introduces the Finite Element Analysis, Sensitivity Analysis and Optimal Design for mechanical structure of the T type test fixture based on Pro/Mechanica software. Also it sets the first order natural frequency for the beam, its optimal mathematical models of quality margin restriction, and the optimal design of its dimension parameters.

Pro/E, Mechanica, T type, test fixture, optimization design

TH 122

：A

王鎮(zhèn)(1988-)，男，結(jié)構(gòu)工程師，主要從事機械振動工裝及集成設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的研究。

2014-07-04