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2009产品创新数字化峰会征文:20吨振动台动圈建模与仿真分析

2009/9/1    来源:e-works    特约撰稿人:张逸波      
关键字:振动台  动圈  仿真分析  模态试验  
本文利用Solidworks软件及Cosmosworks软件针对20吨振动台动圈进行了建模和有限元模态分析,通过模态试验对模型进行了修正。通过对动圈进行动态响应仿真分析,给出了传递函数和响应曲线,计算出1g控制条件下的驱动力谱,并运用该力谱模拟了正弦扫频试验,得到的控制点响应曲线与实际情况较为吻合。

产品创新数字化峰会有奖征文火热进行中……

1 前言

    振动台作为模拟振动环境,检验产品可靠性、动强度的一种有效手段,已经被广泛应用于卫星结构设计的验证试验中。然而振动台在实际应用中受到试验设备和测点数量的限制不能全面获得试验件各个部分的响应特性,因此在有些情况下不能仅仅以振动台试验结果作为结构、产品设计的唯一依据。振动试验虚拟仿真技术是弥补这一不足的有效方法,随着计算机技术的发展和运算速率的提高,振动试验仿真越来越引起人们的重视[1~3]。

    振动试验仿真首先要对作为边界条件的振动台进行仿真,动圈作为振动台的运动部件,是振动台最核心的组成部分[4]。因此动圈仿真是振动台仿真的基础,本文针对20吨振动台动圈进行了三维建模,并通过模态试验数据对模型参数进行修正,并根据动态响应分析方法推出力谱,最终求出动圈台面4点平均控制点的响应曲线。本文运用Solidworks软件进行建模,运用Cosmosworks软件进行有限元计算。

2 动圈建模

    动圈是整个振动台最重要的部分。从功放输出的交流电通过动圈线圈,产生交变的磁场,其与励磁线圈产生的静态磁场相互作用形成电磁力,推动动圈作往复运动,振动台动圈结构见图1。

图1 动圈结构                     
Figure 1 structure of armature       

图2 20吨振动台动圈
Figure 2 Armature of 200KN shaker

2.1 三维建模

    动圈主要由台面、上端框、筋板和线圈组成,其中前三者合称为动圈骨架。为准确建立动圈的有限元模型,我们将动圈从振动台体中拆出。动圈拆出后的外型见图2。分别对动圈骨架和线圈两部分进行测绘,在测绘中为了简化模型将动圈台面的32个钢套、水管及保险丝拆除。测绘结果:动圈最大直径约640mm,高度约640mm,重量93.5kg。根据以上结构尺寸利用solidworks软件绘制了骨架及线圈部分的三维模型,其中骨架部分忽略了32个钢套安装孔,线圈部分则视为实体。由于真实动圈的骨架部分为单一铝合金材料,可直接将骨架模型定义为铝合金;线圈部分由铜质线圈、不锈钢表层和环氧树脂绝缘带组成,由于线圈为全封闭状态,无法得知其内部结构,因此只能将其视为实体,并通过修正弹性模量和密度这两个动态响应分析最为主要的参数来模拟真实情况。动圈三维模型见图3。

图3 动圈三维模型
Figure 3 three-dimensional model of armature

2.2 网格划分

    在划分网格时,我们采用了三角实体网格。为了节省计算时间,并考虑到精度的要求,我们先通过软件对模型的计算来给出合适的网格大小,再对其进行微量细化,从而提高网格化精度。最终的网格大小为33.4mm,节点数24581,单元数12359,其中带高宽比例<3的为96.7%,带高宽比例>10的仅为0.00789%,可见网格畸变非常少,见图4。

图4 动圈有限元模型
Figure 4 finite element model of armature

责任编辑:黄菊锋
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