淺談虛擬振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)研究問(wèn)題

黃家驥+銀美秀

摘 要：虛擬振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)在我國(guó)各項(xiàng)領(lǐng)域都起到了重要的作用，應(yīng)當(dāng)引起人們足夠的重視。該文從探討虛擬振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)深入研究的重要意義出發(fā)，詳細(xì)闡述了這項(xiàng)系統(tǒng)研究的重要性和重要地位。而后又深入分析了虛擬振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。最后，針對(duì)具體建模策略，筆者提出了自己的看法和觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：虛擬振動(dòng) 試驗(yàn)技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 建模策略

中圖分類號(hào)：V416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（c）-0057-02

1 虛擬振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)深入研究的重要意義

近年來(lái)，隨著虛擬測(cè)試技術(shù)的迅速發(fā)展，它已廣泛應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防和軍事領(lǐng)域，并取得了舉世矚目的成就。通過(guò)國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)踐證明，虛擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展的主要技術(shù)方法是克服巨大的投資，不斷地縮短開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而彌補(bǔ)缺乏大型測(cè)試設(shè)備的能力。基于多年振動(dòng)測(cè)試中的工作經(jīng)驗(yàn)，筆者側(cè)重于軍事產(chǎn)品在可靠性測(cè)試的熱點(diǎn)問(wèn)題——虛擬振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行探究，側(cè)重介紹有限元數(shù)學(xué)模型修改技術(shù)，介紹了振動(dòng)臺(tái)虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究的基本內(nèi)容，并對(duì)仿真實(shí)例分析進(jìn)行了講解。

2 虛擬振動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

在20世紀(jì)中期以來(lái)，為了提高航空航天產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性和優(yōu)化航空航天產(chǎn)品的測(cè)試，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的結(jié)構(gòu)和環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室提出了航空航天產(chǎn)品的測(cè)試。目前，虛擬測(cè)試技術(shù)已廣泛應(yīng)用于外國(guó)武器裝備研究和生產(chǎn)、系統(tǒng)演示程序使用的所有階段的訓(xùn)練，減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，實(shí)現(xiàn)可觀的效益。針對(duì)產(chǎn)品的模態(tài)測(cè)試與振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試，在“KBT”流程中，采用“KBT（Knowledge Based Testing）”方法，將計(jì)算仿真技術(shù)與試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了有效結(jié)合，軟件系統(tǒng)分別提供了虛擬模態(tài)測(cè)試環(huán)境與虛擬振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境。

為了在振動(dòng)測(cè)試前降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)，盡可能多地了解結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和良好的振動(dòng)試驗(yàn)準(zhǔn)備，而不是局限于振動(dòng)測(cè)試的一部分，AOES公司與ESA合作建立了虛擬振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，可以大幅縮短真實(shí)振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施周期，該系統(tǒng)的建立可有效避免振動(dòng)試驗(yàn)中的過(guò)試驗(yàn)情況。（見(jiàn)圖1）

總之，針對(duì)虛擬機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)研究，在國(guó)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研究多年，并已應(yīng)用于實(shí)際工程。

3 我國(guó)虛擬振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

在國(guó)內(nèi)，虛擬振動(dòng)試驗(yàn)主要存在環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的研究階段，如朱Yuanfu使用有限元方法（FEM）模型的振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈，固定裝置，建立了產(chǎn)品；其次是使用真實(shí)的模態(tài)和振動(dòng)測(cè)試修改有限元模型的建立，使用修改后的振動(dòng)臺(tái)是虛擬振動(dòng)試驗(yàn)的產(chǎn)品。40 t的有限元模型振動(dòng)臺(tái)使用子結(jié)構(gòu)的建模方法，建立了振動(dòng)測(cè)試的虛擬仿真是基于有限元法進(jìn)行，以及對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)標(biāo)本進(jìn)行有限元建模和虛擬正弦振動(dòng)試驗(yàn)仿真?？傊?，虛擬系統(tǒng)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)主要研究，利用有限元軟件建立了振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈、夾具、有限元模型和裝配的系統(tǒng)的強(qiáng)迫響應(yīng)分析的有限元模型。

4 新時(shí)期虛擬振動(dòng)試驗(yàn)建模策略分析

在虛擬振動(dòng)試驗(yàn)建模的過(guò)程中，在振動(dòng)試驗(yàn)中為了更加準(zhǔn)確地描述力學(xué)傳遞過(guò)程，由于動(dòng)圈本身具有振動(dòng)的模態(tài)，臺(tái)體采用剛體建模并固定于地面之上，將被測(cè)試件、夾具和振動(dòng)臺(tái)組成的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，故不可看作質(zhì)點(diǎn)。此文運(yùn)用Cosmosworks軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，運(yùn)用proe軟件進(jìn)行建模，并針對(duì)試驗(yàn)用到的200 kN振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈進(jìn)行了三維建模，通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正，而動(dòng)圈作為振動(dòng)臺(tái)的核心部分，因此動(dòng)圈仿真是振動(dòng)臺(tái)仿真的基礎(chǔ)，并根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析方法推出力譜，最終求出動(dòng)圈臺(tái)面4點(diǎn)平均控制點(diǎn)的響應(yīng)曲線。

4.1 動(dòng)圈的三維建模

為了方便地映射，研究者分別測(cè)繪的線圈與動(dòng)圈的骨架，動(dòng)圈的最大直徑約為600 mm， 高度約為500 mm，質(zhì)量120 kg，使用證明利用框架的一部分，和線圈，由于線圈完全關(guān)閉，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有，所以只能作為一個(gè)實(shí)體，密度和彈性模量的兩個(gè)最重要的參數(shù)校正來(lái)模擬實(shí)際情況。（見(jiàn)圖2）

4.2 模態(tài)試驗(yàn)

使用近似自由狀態(tài)的方法，研究者最大限度地排除了邊界條件的影響來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，以期最大限度地對(duì)動(dòng)圈的固有特性進(jìn)行描述。所謂近似自由狀態(tài)是使用2臺(tái)激振器對(duì)線圈的底部進(jìn)行激勵(lì)，用橡皮繩把動(dòng)圈吊起，采用2 000 Hz帶寬的隨機(jī)信號(hào)。

然后對(duì)兩個(gè)線圈參數(shù)彈性模量和密度做修改，擬合120.524 kg的動(dòng)態(tài)質(zhì)量在容許誤差范圍內(nèi)。然后對(duì)動(dòng)圈的自由狀態(tài)模態(tài)使用Cosmosworks進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看到，各主要參數(shù)的誤差均控制在±1.5%以內(nèi)，模型的建立是符合精度的。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，虛擬振動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)于我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域研究有著重要幫助，是新時(shí)期深入進(jìn)行研究的關(guān)鍵所在，從這個(gè)角度出發(fā)，虛擬建模試驗(yàn)就顯得有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義了。然而，系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)領(lǐng)域的研究在我國(guó)起步時(shí)間尚短，很多領(lǐng)域當(dāng)中還存在這樣或者那樣的問(wèn)題，特別是與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，更是有著非常大的問(wèn)題和不足之處。未來(lái)，如何進(jìn)一步完善這些具體的問(wèn)題所在，使其更好地為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)增磚添瓦是今后研究者所要面對(duì)的一大核心問(wèn)題。

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