车载散热装置振动夹具设计与试验验证.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()车载散热装置振动夹具设计与试验验证余文雄,姚明格,叶晨阳,刘帮勇,刘红姣(江汉大学 智能制造学院,湖北武汉 ;天津航天瑞莱科技有限公司 武汉分部,湖北武汉 )摘要:根据某企业车载散热装置振动试验条件及环境振动试验夹具设计规范,在对散热装置结构和振动试验台进行分析的基础上,进行了夹具的三维实体模型设计;利用AN S Y S软件对模型进行模态分析,完成了夹具的实物加工并对夹具进行了试验验证.试验结果表明:所设计的振动夹具可靠,能满足试验要求.关键词:车载散热装置;振动夹具;试验验证;设计中图分类号:T P T G 文献标识码:A江汉大学研究生科研创新基金项目()收稿日期:;修订日期:作者简介:余文雄(),男,湖北武汉人,在读硕士研究生,研究方向:机械装备及自动化.引言随着社会的发展,人们对汽车可靠性和安全性的要求越来越高.发动机是汽车的“心脏”,汽车散热装置性能好坏直接影响发动机的工作性能和汽车的行车安全.由于路面多变、发动机振动等因素,汽车散热装置工作在复杂多变的振动环境之中,为了检验散热装置的可靠性和环境的适应性,一般采用环境振动试验进行验证.在振动试验中,振动夹具起连接和传递振动的作用,为保证散热装置受到规定的振动激励,要求振动夹具将振动激励不失真传递给试验件.否则,试验件将出现“过试验”或“欠试验”现象,影响产品的合格性判断.因此振动试验结果的可信度与振动夹具的动态特性密切相关.为了研究某企业车载散热装置的可靠性和环境适应性,本文在分析散热装置结构和环境振动试验夹具设计规范的基础上,进行了振动夹具设计和模态分析,完成了振动夹具的加工和振动试验验证.试验结果表明该振动夹具满足振动试验要求.散热装置振动试验方案该车载散热装置如图所示.汽车行驶时冷却液在散热装置内循环流动,为了保证振动试验与实际运行工况一致,该装置振动时配备了电加热系统和冷却液循环系统.图车载散热装置实物图由于路面对汽车的振动激励是随机的,为了更为真实地模拟散热装置的振动环境,选择宽带随机振动试验,散热装置振动试验方案如图所示.其中振动台采用推力为 t的电动振动台,其正弦推力为 N,台面质量为 k g,动圈有效标称质量为 k g,运动部件有效质量为 k g,激振频率范围 H z H z,最大加速度为 m/s.图散热装置振动试验方案振动夹具设计 振动夹具的设计要求根据上述散热装置振动试验设计方案,振动夹具通过螺钉固定在振动台面上,夹具在振动台激振力作用下发生振动,并将振动传递给散热装置.结合振动夹具的设计规范,该振动夹具在设计时应考虑以下几点要求:振动夹具的外形结构与散热装置的连接方式要符合产品实际安装状态;为避免共振耦合,振动夹具的第阶固有频率要比散热装置的第阶固有频率高出倍,该散热装置的第阶固有频率为 H z,则振动夹具的第阶固有频率至少在 H z以上;为保证振动台产生的振动接近 地传递到夹具,由于随机振动试验 H z以下包含了 的能量,则振动夹具的第阶固有频率必须大于 H z;振动夹具在 H z以内无共振峰,且品质放大因数 .振动夹具的结构设计散热装置的空间体积较大,本设计采用框架式夹具.采用S o l i d W o r k s软件建模设计的振动夹具三维模型如图所示.夹具由支架和转接块两部分组成,支架由 根方管和一块底板焊接而成,夹具底板与振动台面采用螺钉连接,在框架悬臂和底板上共安装了个转接块,以此固定散热装置.图振动夹具三维模型振动夹具质量m按照下式估算:mFa(mm)()其中:m为动圈有效标称质量;m为运动部件有效质量;F为正弦推力;a为散热装置振动加速度均方根值,由随机振动试验P S D加载试验条件绘制的功率谱曲线估算可得a g.将相关参数代入式(),计算得m k g.两个装满冷却液的散热装置总质量为 k g,参考文献 可知,夹具的质量至少为试验件质量的倍以上,即 k g.则夹具的质量范围为 k g k g.夹具主体框架选用 钢无缝方管,底板选用 钢板材.所设计夹具质量为 k g,满足质量要求.基于有限元的模态分析利用有限元分析软件AN S Y S的模态分析模块对夹具进行模态分析,获得夹具的固有频率和振型,预测夹具的振动形式.夹具的有限元网格模型如图所示,单元类型为节点六面体和节点四面体实体单元,计算模型节点数为 、单元数为 ,固定约束在振动台上.散热装置振动平均加速度为 g,振动激励加速度取平均值的倍,即 g.由于低阶振型比高阶振型对结构的动态特性影响更大,因此取夹具的前阶振型进行分析.分析得到夹具的前阶固有频率,如表所示.由表可知,夹具的第阶固有频率为 H z,远大于 H z.图为夹具前阶模态振型.由图可见,夹具的前阶模态振型都表现为x和y方向上的扭转,越靠上端振动位移越大,这主要是由于振动夹具底板通过螺钉与振动台相连造成的.当散热装置通过夹具固定进行振动试验时,夹具上的销轴、螺母与散热装置固定会使夹具刚度变大.通过模拟求解散热装置振动试验总装结构的模态发现,夹具的第阶固有频率为 H z,相比之前没有加载散热装置的夹具模拟得到的固有频率提高了 H z,最大变形减小了 .图夹具有限元网格模型表夹具的前阶固有频率模态阶数固有频率(H z)图夹具前阶模态振型夹具验证试验 夹具的正弦扫频试验在有限元分析的基础上,加工的振动夹具如图所示.采用正弦扫频试验验证夹具固有频率和共振峰值.试验条件如表所示.振动夹具测量点分布如图所示.控制点选在夹具底板前后位置,其通道为c h 和c h;监测点选在夹具上方个安装点和相邻两根横梁的个中点,其通道为c h c h.由正弦扫频结果发现,控制点c h 和c h 的驱动谱曲线与目标谱曲线基本重合且呈水平,表示振动台能够将振动激励平稳、不失真地传递给夹具.图为振动夹具监测点频响曲线.图中,c h c h 变化基本同步,振动平稳,个监测点均在频率为 年第期余文雄,等:车载散热装置振动夹具设计与试验验证 H z处出现一阶共振峰.功率谱密度的均方根值为 g,从图中可见,相应监测点加速度值在(g g)之间,即最大 品质因数为 ,小于,且振动夹具第阶固有频率大于 H z的设计要求.图振动夹具及测量点分布表正弦扫频试验条件频率范围(H z)加速度 g扫频速率(O c t/m i n)次数图振动夹具监测点频响曲线 夹具的随机振动试验通过安装在散热装置上的加速计传感器反馈的功率谱密度验证振动夹具在随机振动载荷作用下的响应.散热装置振动试验如图所示.散热装置随机振动试验条件如表所示.图散热装置振动试验实物图图为散热装置控制点驱动谱曲线.图中,持续振荡的为驱动谱曲线,紧靠目标参考普线,远离加载控制线和极限谱线.从图中可看出,振动夹具响应谱的目标加速度方均根值为 g,实际试件的加速度均方根为 g,在试验频率范围内,振动夹具能够真实平稳地将振动信号传递给试件,说明该振动夹具使用可靠,能满足此散热装置振动试验要求.表随机振动试验条件频率(H z)P S D(g/H z)图散热装置控制点驱动谱曲线结论本文针对某车载新型散热装置结构和振动试验条件,完成了振动夹具的建模和有限元分析,基于有限元分析结果完成了振动夹具的加工,采用正弦扫频试验验证了振动夹具的固有频率和共振峰值.振动夹具满足第阶固有频率大于 H z和共振峰的放大因子小于的要求.散热装置的随机振动试验结果表明,在试验频率范围内,振动夹具能够真实平稳地将振动信号传递给试件.说明散热装置振动夹具设计合理,满足此散热装置振动试验要求.参考文献:周伟汽车散热器试验研究及性能分析D重庆:重庆大学,:钟继根,王东升振动试验夹具设计技术发展J振动与冲击,():扬忍民振动试验夹具设计J环境技术,():皮志超,罗立生,孙涛,等某导弹舱段振动夹具动特性设计与试验验证J机械制造与自动化,():程来,宋言明,杨洋机载装置的振动试验夹具设计J机械科学与技术,():胡波,何林振动试验夹具的设计J电子产品可靠性与环境试验,():王勇,宁会峰,杜尹学某机载设备振动夹具设计及试验验证J机械制造与自动化,():D e s i g na n dT e s tV e r i f i c a t i o no fV i b r a t i o nF i x t u r e f o rV e h i c l eM o u n t e dR a d i a t o rY U W e n x i o n g,Y A O M i n g g e,Y EC h e n y a n g,L I UB a n g y o n g,L I UH o n g j i a o(S c h o o l o fI n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g,J i a n g h a nU n i v e r s i t y,W u h a n ,C h i n a;W u h a nB r a n c h,T i a n j i nA e r o s p a c eR e l i a b i l i t yT e c h n o l o g yC o,L t d,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:A c c o r d i n gt ot h ev i b r a t i o nt e s tc o n d i t i o n so ft h ev e h i c l em o u n t e dr a d i a t o ra n dt h ef i x t u r ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n so ft h ee n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o nt e s t,t h et h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e lo ft h ef i x t u r ei sd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er a d i a t o rs t r u c t u r ea n dt h ev i b r a t i o nt e s t b e n c h;t h em o d a l a n a l y s i so f t h em o d e lw a s c a r r i e do u t b yu s i n g t h eAN S Y Ss o f t w a r e,c o m p l e t e d t h ep h y s i c a l p r o c e s s i n go ft h ef i x t u r ea n dc a r r i e do u tv e r i f i c a t i o nt e s t s T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dv i b r a t i o nf i x t u r ei sr e l i a b l ea n dc a nm e e t t h e t e s t r e q u i r e m e n t s K e y w o r d s:v e h i c l em o u n t e dr a d i t o r;v i b r a t i o nf i x t u r e;e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n;d e s i g n机 械 工 程 与 自 动 化 年第期