基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法

摘要

本发明涉及一种基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，振动试验的耦合系统包括振动台、夹具和试验件，其中有效性验证优化方法包括以下步骤：振动加速度的频谱数据采集；将耦合系统进行分解并对夹具和试验件子系统分别进行有限元建模和模态分析；而后分别确定夹具和试验件子系统的传递函数；并通过定义的连接单元将传递函数进行组装；最后进行振动响应计算；若结果不满足设计要求，则进行模态贡献量分析和优化分析，直至振动响应计算的结果满足设计要求。本发明的基于实测加速度频谱数据，可高效直观的验证夹具的有效性，对夹具的设计具有重要指导意义。

权利要求

1.一种基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，其特征在于，振动试验的耦合系统包括振动台、夹具和试验件，其中夹具有效性验证优化方法包括以下步骤：S1，振动加速度的频谱数据采集，将振动加速度频谱数据利用加速度的时域信号进行复数傅里叶变换，获得加速度的复数频谱数据，求得对应频段的实部和虚部频谱数据；

S2，将耦合系统分解为振动台子系统、夹具子系统和试验件子系统；

S3，将振动台子系统中的振动台简化为具有大质量的大质量点，大质量点与步骤S1中加速度的复数频谱数据相乘，得到振动激振力；

S4，对夹具子系统和试验件子系统分别进行有限元建模；

S5，对夹具子系统的有限元建模和试验件子系统的有限元建模分别进行模态分析，并分别获得模态分析结果；

S6，根据模态分析结果，分别确定夹具子系统的传递函数和试验件子系统的传递函数；

S7，定义夹具子系统与试验件子系统之间的连接单元；

S8，根据连接单元将夹具子系统的传递函数和试验件子系统的传递函数进行组装；

S9，利用组装后的传递函数和所述步骤S3中得到的振动激振力，进行振动响应计算，对比夹具与试验件连接节点附近位置的振动与振动台输入的振动的一致性，判断夹具的主振方向传递特性及正交运动是否满足设计要求；

S10，若振动响应计算结果不满足设计要求，则进行优化分析，并重复步骤S4至S9，直至振动响应计算的结果满足设计要求。

2.根据权利要求1所述的基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，其特征在于，所述步骤S4的夹具子系统的有限元建模中，在夹具与振动台的连接节点处建立刚性节点，并将所述刚性节点与步骤S3中的大质量点通过刚性单元连接，释放大质量点的自由度，同时，夹具与试验件连接节点的自由度处于自由状态；

所述步骤S4的试验件子系统的有限元建模中，试验件与夹具连接节点的自由度处于自由状态。

3.根据权利要求1所述的基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，其特征在于，所述步骤S5中，利用有限元分析软件分别对夹具子系统和试验件子系统进行模态分析，并分别得到夹具子系统的固有频率和振型矩阵以及试验件子系统的固有频率和振型矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，其特征在于，所述步骤S6中，又分别包括以下步骤：步骤S61，根据步骤S5中得到的夹具子系统的固有频率、振型矩阵，设置夹具子系统的模态阻尼，采用矩阵求逆的方式确定夹具子系统的传递函数；

步骤S62，根据步骤S5中得到的试验件子系统的固有频率、振型矩阵，设置试验件子系统的模态阻尼，采用矩阵求逆的方式确定试验件子系统的传递函数。

5.根据权利要求4所述的基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，其特征在于，所述步骤S61中还包括，定义夹具子系统的传递函数的输入点和输出点，具体步骤为，定义大质量点为输入点，夹具与试验件的连接节点同时定义为输入点和输出点。

6.根据权利要求4所述的基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，其特征在于，所述步骤S62中还包括，定义试验件子系统的传递函数的输入点和输出点，具体步骤为，试验件与夹具的连接节点同时定义为输入点和输出点。

7.根据权利要求1所述的基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，其特征在于，所述步骤S10中，在进行优化分析前，还包括模态贡献量分析。

说明书

基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法

技术领域

[0001] 本发明属于试验设备技术领域，具体涉及一种基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法。

背景技术

[0002] 振动是导致产品失效的最重要的环境因素之一。对于时刻经受振动环境考核的产品，其在出厂前必须经受振动可靠性考核实验，在轨道交通领域尤甚，GB/T21563‑2008(轨
道交通机车车辆设备冲击和振动试验)明确规定了轨道机车车辆上的设备进行随机振动和
冲击试验的要求与方法。可见，振动试验的质量直接决定产品能否经受预期的环境考核，能
否在规定年限内实现应有的功能。

[0003] 在振动试验中，夹具是保障产品可靠装夹并传递振动台运动至试验件上的关键部件，其动态特性的好坏直接决定振动试验的质量。设计优良的夹具，应具备足够的传递精
度，严格限制正交运动，夹具与试件连接节点的振动满足允许的输入偏差。目前夹具的设计
并没有明确的设计标准，均以尽可能提高夹具一阶固有频率为宜，而且不同行业对夹具的
要求并不一致。设计者多以经验为主，根据试件的接口形式采用转接板型或L型、T型夹具配
合若干加强筋的结构形式，并采用有限元模态分析技术，不断优化改进提高夹具一阶固有
频率。这种设计方法一方面对设计者经验要求较高，另一方面动力模型以单独的夹具作为
分析对象，未考虑试件的质量和刚度、未考虑夹具与振动台连接的边界条件、未考虑载荷激
励方向与模态关系，设计结果往往导致“过设计”或“欠设计”，难以得到最优的结果。不可能
制造一个试验性夹具,在进行完动态特性测试、结构修改、观察效应后,再研制出用于环境
试验的振动夹具，往往都会要求一次性设计、制造成功。如何在设计阶段通过仿真手段对夹
具的有效性进行考核显得尤为重要。

[0004] 可见，目前公开的文献缺少对夹具‑试验件‑振动台耦合系统高效的建模方法及快速进行夹具有效性验证方法的研究。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化，能够高效直观的验证夹具的有效性，对夹具的设计具有重要的指导意义。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，振动试验的耦合系统包括振动台、夹具和试验件，其中有效性验证优化方法包括以
下步骤：

[0007] S1，振动加速度的频谱数据采集；

[0008] S2，将耦合系统分解为振动台子系统、夹具子系统和试验件子系统；

[0009] S3，将振动台子系统中的振动台简化为具有较大质量的大质量点；

[0010] S4，对夹具子系统和试验件子系统分别进行有限元建模；

[0011] S5，对夹具子系统的有限元建模和试验件子系统的有限元建模分别进行模态分析，并分别获得模态分析结果；

[0012] S6，根据模态分析结果，分别确定夹具子系统的传递函数和试验件子系统的传递函数；

[0013] S7，定义夹具子系统与试验件子系统之间的连接单元；

[0014] S8，根据连接单元将夹具子系统的传递函数和试验件子系统的传递函数进行组装；

[0015] S9，利用组装的传递函数，进行振动响应计算；

[0016] S10，若振动响应计算结果不满足设计要求，则进行优化分析，并重复步骤S4至S9，直至振动响应计算的结果满足设计要求。

[0017] 在一个实施例中，所述步骤S1还包括，将振动加速度频谱数据利用加速度的时域信号进行复数傅里叶变换，获得加速度的复数频谱数据，求得对应频段的实部和虚部频谱
数据。

[0018] 在一个实施例中，所述步骤S3还包括，大质量点与步骤S1中加速度的复数频谱数据相乘，得到振动激振力。

[0019] 在一个实施例中，所述步骤S4的夹具子系统的有限元建模中，在夹具与振动台的连接节点处建立刚性节点，并将所述刚性节点与步骤S3中的大质量点通过刚性单元连接，
释放大质量点的自由度，同时，夹具与试验件连接节点的自由度处于自由状态；

[0020] 所述步骤S4的试验件子系统的有限元建模中，试验件与夹具连接节点的自由度处于自由状态。

[0021] 在一个实施例中，所述步骤S5中，利用有限元分析软件分别对夹具子系统和试验件子系统进行模态分析，并分别得到夹具子系统的固有频率和振型矩阵以及试验件子系统
的固有频率和振型矩阵。

[0022] 在一个实施例中，所述步骤S6中，又分别包括以下步骤：

[0023] 步骤S61，根据步骤S5中得到的夹具子系统的固有频率、振型矩阵，设置夹具子系统的模态阻尼，采用矩阵求逆的方式确定夹具子系统的传递函数；

[0024] 步骤S62，根据步骤S5中得到的试验件子系统的固有频率、振型矩阵，设置试验件子系统的模态阻尼，采用矩阵求逆的方式确定试验件子系统的传递函数。

[0025] 在一个实施例中，所述步骤S61中还包括，定义夹具子系统的传递函数的输入点和输出点，具体步骤为，定义大质量点为输入点，夹具与试验件的连接节点同时定义为输入点
和输出点。

[0026] 在一个实施例中，所述步骤S62中还包括，定义试验件子系统的传递函数的输入点和输出点，具体步骤为，试验件与夹具的连接节点同时定义为输入点和输出点。

[0027] 在一个实施例中，所述步骤S9中，根据组装的传递函数和步骤S3中得到的振动激振力，进行振动响应计算。

[0028] 在一个实施例中，所述步骤S10中，在进行优化分析前，还包括模态贡献量分析。

[0029] 与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)建立针对振动台、夹具和试验件的振动试验耦合系统，并针对该耦合系统进行夹具有效性验证及优化；(2)在进行有效性验证优化
方法时，将耦合系统进行分解，并分别对子系统进行建模，有利用团队分工合作，提高建模
效率50％以上；(3)利用大质量法，简化振动台建模工作，巧妙实现了振动加速度的施加；
(4)当夹具设计参数改变时，其他子系统无需重新计算，提高仿真验证效率；(5)通过
Virtual.lab的组装环境，高效处理夹具与试验件的各种连接关系(如刚性连接、粘弹性连
接等)，通过模态贡献量分析可快速确定夹具结构设计的缺陷，通过优化模块，方便参数化
处理，对夹具的结构形式及材料选型提供指导。

附图说明

[0030] 在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

[0031] 图1为本发明振动台‑夹具‑试验件耦合系统验证优化流程图。

[0032] 在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

[0033] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。借此对本发明如何应用技术手段解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不存在冲
突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文
中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

[0034] 因此，为解决上述的问题，本发明提供一种基于振动试验耦合系统的夹具有效性验证优化方法，振动试验的耦合系统包括振动台、夹具和试验件，振动台、夹具、试验件是一
个耦合的动力系统，试验件所承受的振动是从夹具与试验件的连接节点处传递过来，通过
连接节点的振动与振动台输入的振动对比可快速评估夹具的传递精度、正交运动等指标是
否满足设计要求。

[0035] 然而，对振动台‑夹具‑试验件耦合动力系统进行动力响应计算还存在如下难点：1、难以获得完整的振动台模型，且模型复杂，如何高精度建立耦合系统模型是关键；2、目前
振动台多是以加速度信息作为控制输入的，而动力系统响应计算是以力信号作为激励，常
规商用软件无法直接输加速度信号计算响应；3、以耦合系统进行响应计算，若涉及到夹具
结构反复优化修改，则需要对耦合的系统进行反复计算，若为大型有限元系统，计算效率太
低；4、目前的设计验证，缺少完整的验证、优化流程。

[0036] 因此，针对振动台、夹具和试验件的振动试验的耦合系统，本发明提供了一种基于振动试验的耦合系统的夹具有效性验证优化方法，包括以下步骤：

[0037] S1，振动加速度的频谱数据采集；

[0038] S2，将耦合系统分解为振动台子系统、夹具子系统和试验件子系统；

[0039] S3，将振动台子系统中的振动台简化为具有较大质量的大质量点；

[0040] S4，对夹具子系统和试验件子系统分别进行有限元建模；

[0041] S5，对夹具子系统的有限元建模和试验件子系统的有限元建模分别进行模态分析，并分别获得模态分析结果；

[0042] S6，根据模态分析结果，分别确定夹具子系统的传递函数和试验件子系统的传递函数；

[0043] S7，定义夹具子系统与试验件子系统之间的连接单元；

[0044] S8，根据连接单元将夹具子系统的传递函数和试验件子系统的传递函数进行组装；

[0045] S9，利用组装的传递函数，进行振动响应计算；

[0046] S10，若振动响应计算结果不满足设计要求，则进行优化分析，并重复步骤S4至S9，直至振动响应计算的结果满足设计要求。

[0047] 步骤S1中，振动可靠性试验一般按照相关要求输入一定频段的加速度谱密度信号，一方面来自于现场实测数据，一方面按照相关标准。优选地，本发明振动加速度的频谱
数据，获取方式有多种途径：可以利用加速度计采集产品工作环境下安装连接节点的振动
加速度数据；可以根据相关标准提取振动加速度的频谱数据，可以在其他经受同样加速度
谱考核的振动可靠性试验时测试振动台的振动加速度数据。

[0048] 步骤S1还包括，将振动加速度频谱数据利用加速度的时域信号进行复数傅里叶变换，获得加速度的复数频谱数据，求得对应频段的实部和虚部频谱数据。

[0049] 步骤S3中，将振动台的结构基础简化为具有大质量的质量单元(一般取夹具和试6
验件总质量的10倍)，释放基础的运动约束。

[0050] 步骤S3还包括获取振动激振力，具体为，将大质量点与步骤S1中加速度的复数频谱数据相乘，得到振动激振力(即外界激励)。在大质量点处施加大小为大质量与振动加速
度乘积的振动激振力，在数学上巧妙地在质量矩阵上“置大数”实现近似真实值的振动加速
度数据输入，简称大质量法。

[0051] 步骤S4中，针对单独的子系统，在HYPERMESH/ANSA等专业前处理软件中进行有限元网格划分，施加边界条件，定义单元属性。

[0052] 优选地，本发明在夹具子系统的有限元建模中，在夹具与振动台的连接节点处建立刚性节点，例如螺栓处的刚性节点；并将获得的刚性节点与步骤S3中的大质量点通过刚
性单元连接，释放大质量点的自由度，同时，夹具与试验件连接节点的自由度处于自由状
态；

[0053] 在试验件子系统的有限元建模中，试验件与夹具连接节点的自由度处于自由状态。

[0054] 步骤S5中，利用有限元分析软件(如NASTRAN软件)分别对夹具子系统和试验件子系统进行模态分析。在一定的外界激励作用下，对响应起主要贡献的模态仅为若干低阶模
态，因此本发明无需求得系统的所有模态，从而使得计算效率显著提升。一般工程计算所求
模态频率达到激励频率2倍左右已经足够满足计算的要求。

[0055] 本发明在对夹具子系统模态分析后得到夹具子系统的固有频率和振型矩阵，对试验件子系统模态分析后，得到试验件子系统的固有频率和振型矩阵。

[0056] 步骤S6中，又分别包括以下步骤：

[0057] 步骤S61，根据步骤S5中得到的夹具子系统的固有频率、振型矩阵，设置夹具子系统的模态阻尼，采用矩阵求逆的方式确定夹具子系统的传递函数；

[0058] 步骤S62，根据步骤S5中得到的试验件子系统的固有频率、振型矩阵，设置试验件子系统的模态阻尼，采用矩阵求逆的方式确定试验件子系统的传递函数。

[0059] 优选地，对于常用的金属结构，模态阻尼一般定义为0.02左右。

[0060] 在一个实施例中，所述步骤S61中还包括，利用建模平台软件(Virtual.lab)，根据实际情况定义夹具子系统的传递函数的输入点和输出点，具体步骤为，定义大质量点为输
入点，夹具与试验件的连接节点同时定义为输入点和输出点，其他用于评估夹具有效性的
点定义为输出点。

[0061] 在一个实施例中，所述步骤S62中还包括，定义试验件子系统的传递函数的输入点和输出点，具体步骤为，试验件与夹具的连接节点同时定义为输入点和输出点，其他关注的
节点定义为输出点。

[0062] 优选地，步骤S7中的定义连接单元，具体为，在建模平台软件(Virtual.lab)的结构分析的装配分析模块(assembly analysis模块)，可以根据夹具子系统和试验件子系统
间的连接特点，建立连接单元。如：螺栓连接可以建立刚性单元；减振器连接可以建立bush
单元，并输入6个自由度方向的连接刚度和阻尼。

[0063] 优选地，步骤S8中，在Virtual.lab的结构分析的assembly analysis模块，实现夹具子系统的传递函数和试验件子系统的传递函数的组装。

[0064] 优选地，步骤S9中，根据组装的传递函数和步骤S3中得到的振动激振力，进行振动响应计算；具体地，利用组装的传递函数，计算外界激励引起的响应，对比夹具与试验件连
接节点附近位置的振动与振动台输入的振动的一致性，可直观判断夹具的主振方向传递特
性及正交运动是否满足设计要求。

[0065] 其中，步骤S3中获得振动激振力的方式，将加速度信号数据转化为对应频率段的力的数据进行振动响应计算，计算结果可保证大质量点的加速度结果和步骤S1中所得的加
速度结果一致，从而巧妙地实现了加速度的加载。

[0066] 优选地，所述步骤S10中，利用Virtual.lab的优化模块，设置优化变量及目标量，反复迭代快速实现目标结果。对于夹具的优化，可以设置响应点某频段或某些离散频率点
的振动响应的振动量级为优化目标，或者设置夹具某一模态的模态频率为优化目标，优化
夹具的厚度分布、弹性模量分布等，从而确定夹具的厚度、材料布置等。

[0067] 优选地，在进行优化分析前，还包括模态贡献量分析。若振动响应不满足要求，可首先判断夹具传递至试件的振动较振动台输入信号偏差较大的频率段，然后通过模态贡献
量分析确定对该频段响应起主要作用的夹具模态，进而指导结构改进的方向，如增加加强
筋的具体位置等，及有待提高的模态频率的具体阶数。

[0068] 综上所述，在振动台‑夹具‑试验件耦合动力系统中，振动台模型复杂且难以获得，且振动台加速度频谱数据难以直接输入进行响应计算。但振动台本身质量及刚度显著高于
夹具及试验件，在快速响应分析中可将其用大质量点代替，这样做既省略了复杂的振动台
台体的建模工作，同时方便采用大质量法进行振动加速度信号数据转变为力信号的激励数
据。

[0069] 对于夹具和试验件子系统，可以利用子系统模态综合的方法，分别建立有限元模型并进行传递传函计算，通过传递传函组装进行响应计算。这种方式使得建模效率高，无需
重复进行。

[0070] 模态贡献量分析重点分析对响应其主要作用的模态，方便设计人员对夹具结构进行针对性设计和修改，Virtual.lab优化模块可以高效对夹具的结构参数进行优化。

[0071] 虽然已经参考如上优选实施例对本发明进行了描述，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术
人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任
何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。