本發(fā)明屬于有限元振動(dòng)仿真領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜裝配體的振動(dòng)分析仿真方法。

背景技術(shù)：

機(jī)械產(chǎn)品如汽車、飛機(jī)、航天器等通常需要工作在振動(dòng)環(huán)境中，而長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)疲勞失效、接觸松動(dòng)等問(wèn)題，這些工業(yè)產(chǎn)品通常是一個(gè)復(fù)雜的裝配體，包含大量的零部件和子結(jié)構(gòu)，各個(gè)零部件之間緊密耦合，單個(gè)零部件的失效通常會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，除了考慮產(chǎn)品功能還需要考慮產(chǎn)品的振動(dòng)可靠性問(wèn)題。為了保證產(chǎn)品的性能滿足要求，工程師通常會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在安全范圍內(nèi)預(yù)留出很多余量以提高結(jié)構(gòu)的剛度，減小系統(tǒng)振動(dòng)，提高系統(tǒng)可靠性。但是由于裝配體較復(fù)雜，過(guò)多的余量只會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期合理的確定各個(gè)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)變更，從而在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的同時(shí)使成本最小化并減少設(shè)計(jì)時(shí)間，在復(fù)雜裝配體的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用有限元進(jìn)行振動(dòng)分析仿真顯的尤為重要。

目前針對(duì)裝配體的振動(dòng)分析有限元仿真，大部分是先建立好整體有限元模型并計(jì)算，然后根據(jù)裝配體的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正，由于裝配體中零部件很多，各組件及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能各不相同，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，往往大型復(fù)雜裝配體整機(jī)仿真模型中包含幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)自由度，直接用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行修改和驗(yàn)證需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，且整機(jī)模型參數(shù)眾多難以調(diào)節(jié)，導(dǎo)致仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，仿真模型的可信度較低。另一種方法是先對(duì)零部件模型進(jìn)行仿真計(jì)算并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行修正，然后將零部件模型中的材料參數(shù)、接觸條件和計(jì)算條件設(shè)置移植到裝配體有限元模型中，但是這會(huì)帶來(lái)大量的重復(fù)性工作并且由于接觸條件設(shè)置復(fù)雜，移植后的有限元模型計(jì)算結(jié)果可能會(huì)有所不同，降低了工作效率和模型的可信度。因而建立一種自下而上式的，適合多工作人員協(xié)同工作以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間的仿真方法有著非常重大的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的對(duì)復(fù)雜裝配體只能通過(guò)整機(jī)建模、整機(jī)試驗(yàn)以修正模型的方法可信度低、驗(yàn)證復(fù)雜、耗時(shí)大等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種復(fù)雜裝配體的振動(dòng)分析仿真方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是根據(jù)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種復(fù)雜裝配體的振動(dòng)分析仿真方法，包含如下步驟：

步驟s1：將復(fù)雜裝配體劃分為功能單一、相對(duì)獨(dú)立的若干個(gè)簡(jiǎn)單零部件，并分別建立單個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)仿真模型；

步驟s2：分別對(duì)上述單個(gè)零部件進(jìn)行自由態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，獲得其固有頻率和振型；

步驟s3：根據(jù)測(cè)得的固有頻率及振型結(jié)果對(duì)零部件仿真模型進(jìn)行模型修正；

步驟s4：選擇直接計(jì)算或者縮減計(jì)算：如果是直接計(jì)算，則將經(jīng)過(guò)模型修正、結(jié)果滿足要求的零部件仿真模型直接在程序中組合起來(lái)形成裝配體仿真模型；如果是縮減計(jì)算，則將修正后的零部件仿真模型利用固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法生成子結(jié)構(gòu)，然后將各子結(jié)構(gòu)組裝成整機(jī)模型，組裝完成后對(duì)模型計(jì)算；

步驟s5：確定多種工況下裝配體試驗(yàn)方案，所述多種工況是指在自由狀態(tài)或約束狀態(tài)、加載或空載情況下裝配體的模態(tài)和響應(yīng)；

步驟s6：根據(jù)測(cè)得的固有頻率、振型和響應(yīng)結(jié)果對(duì)裝配體仿真模型進(jìn)行修正，最終得到較為精確的計(jì)算模型。

上述技術(shù)方案中，所述若干個(gè)簡(jiǎn)單零部件分別進(jìn)行仿真、試驗(yàn)及模型修正的過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，加速設(shè)計(jì)過(guò)程。

上述技術(shù)方案中，步驟s3中對(duì)零部件的模型修正通過(guò)調(diào)節(jié)材料參數(shù)和零部件內(nèi)部的接觸條件進(jìn)行。

上述技術(shù)方案中，步驟s4中直縮減計(jì)算是在直接計(jì)算基礎(chǔ)上，利用固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法對(duì)單個(gè)零部件生成子結(jié)構(gòu)，在程序中采用輸入命令流的方式進(jìn)行生成子結(jié)構(gòu)的過(guò)程。

上述技術(shù)方案中，步驟s5中確定多種工況下裝配體試驗(yàn)方案種，首先進(jìn)行裝配體的自由態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，然后進(jìn)行裝配體的約束態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，最后進(jìn)行裝配體的約束態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)。

上述技術(shù)方案中，步驟s6中，應(yīng)該首先根據(jù)自由態(tài)模態(tài)結(jié)果進(jìn)行模型修正，調(diào)節(jié)參數(shù)為各個(gè)零部件之間的接觸條件，結(jié)果達(dá)到要求之后，再根據(jù)約束態(tài)模態(tài)結(jié)果進(jìn)行模型修正，調(diào)節(jié)整機(jī)裝配體與外界的約束條件，確保了模態(tài)結(jié)果正確性之后，再根據(jù)約束態(tài)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行模型修正，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼參數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

(1)采用了分步調(diào)節(jié)的方法，將裝配體拆分成若干零部件，首先通過(guò)零部件的自由模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定子模型的正確性，然后進(jìn)行組裝，再根據(jù)裝配體的模態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保了復(fù)雜裝配體模型的可信度。

(2)拆分后的若干零部件相對(duì)獨(dú)立，其仿真、試驗(yàn)和模型修正工作可以由不同的工作人員同時(shí)進(jìn)行，大大的提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的效率，有效縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

(3)將修正后的子模型進(jìn)行組裝時(shí)，可以采用直接組裝的方法，得到的結(jié)果與直接采用裝配體進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果相同，也可以采用模型縮聚再組裝的方法，先將各個(gè)零部件模型分別生成子結(jié)構(gòu)，模型只保留交界面上的自由度，這樣在很大程度上縮減了模型的復(fù)雜度，降低了建模仿真的硬件成本和時(shí)間成本。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1是本發(fā)明提出的復(fù)雜裝配體振動(dòng)分析仿真方法的流程圖；

圖2是機(jī)箱裝配體模型的網(wǎng)格劃分圖；

圖3(a)是傳統(tǒng)的利用裝配體模型計(jì)算結(jié)果示意圖；

圖3(b)是本發(fā)明的組裝計(jì)算響應(yīng)結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

本發(fā)明的一種復(fù)雜裝配體的振動(dòng)分析仿真方法，其流程圖如圖1所示，該方法具體包含以下步驟：

(1)將復(fù)雜裝配體劃分為功能單一、相對(duì)獨(dú)立的若干個(gè)簡(jiǎn)單零部件，交由不同的工作人員在三維建模軟件中同時(shí)進(jìn)行建模，然后分別將三維模型導(dǎo)入至程序中，定義材料屬性，定義零部件內(nèi)部的接觸條件，自由劃分網(wǎng)格，不添加任何外界約束條件，進(jìn)行自由態(tài)模態(tài)計(jì)算，在結(jié)果中去除掉剛體模態(tài)以便于查看。

(2)分別對(duì)上述單個(gè)零部件進(jìn)行自由態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)零部件采用懸掛的方式以模擬自由邊界，零部件的自由模態(tài)測(cè)試可以采用“單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)測(cè)試”和“多點(diǎn)激勵(lì)，單點(diǎn)測(cè)試”的方法來(lái)進(jìn)行。“單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)測(cè)試”是利用激振器激勵(lì)，在多個(gè)測(cè)點(diǎn)上布置傳感器。“多點(diǎn)激勵(lì)，單點(diǎn)測(cè)試”是利用力錘對(duì)零部件敲擊，只在一個(gè)測(cè)點(diǎn)上布置傳感器。理論上，兩種方法得到結(jié)果相同，但是考慮到結(jié)果的準(zhǔn)確性和試驗(yàn)的便利性，本發(fā)明采用“單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)測(cè)試”的方法，利用激振器對(duì)零部件施加正弦激勵(lì)以激起零部件的各階模態(tài)，激振位置應(yīng)盡量避免選擇在零部件的節(jié)線和節(jié)點(diǎn)上，激振頻率范圍應(yīng)至少覆蓋之前仿真計(jì)算的前10階頻率。傳感器采用多普勒激光測(cè)振儀進(jìn)行非接觸式測(cè)量，拾振點(diǎn)位置應(yīng)覆蓋零部件的主要平面。在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理時(shí)，應(yīng)將較為明顯的頻率及振型都拾取出來(lái)，保證試驗(yàn)結(jié)果基本覆蓋仿真結(jié)果得到的階次。

(3)根據(jù)測(cè)得的固有頻率及振型結(jié)果對(duì)零部件仿真模型進(jìn)行模型修正。對(duì)于結(jié)構(gòu)單一的結(jié)構(gòu)件，由于內(nèi)部不含接觸條件，只需要對(duì)照著試驗(yàn)結(jié)果的頻率和振型調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)件模型的材料參數(shù)即可，首先調(diào)節(jié)密度以使模型中的質(zhì)量與實(shí)測(cè)質(zhì)量相吻合，其次調(diào)節(jié)彈性模量和泊松比使頻率振型相吻合。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，由于內(nèi)部存在接觸條件，調(diào)節(jié)過(guò)程還需考慮接觸條件的設(shè)置，首先調(diào)節(jié)密度，其次調(diào)節(jié)模型的接觸條件設(shè)置以使試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算的前幾階振型基本吻合，最后調(diào)節(jié)彈性模量和泊松比使結(jié)果更為精確。以上工作均可由不同工作人員同步進(jìn)行。

(4)將修正后的零部件模型進(jìn)行組裝。組裝方法分為直接組裝和縮聚組裝，直接組裝方法需要分別將前述所有修正后的模型在程序中的mechanical模塊里保存為mechdat格式文件并導(dǎo)出，然后在新建的文件中將所有文件導(dǎo)入并添加連接，即可完成直接組裝過(guò)程?？s聚組裝方法需要在直接組裝方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，首先按照前述方法生成裝配體模型，然后分別將前述所有修正后的模型利用cms方法生成子結(jié)構(gòu)，在程序中通過(guò)添加命令流的方式可以實(shí)現(xiàn)，生成子結(jié)構(gòu)的過(guò)程中需要將零部件與外部存在接觸條件的區(qū)域指定為主自由度以方便后續(xù)組裝。然后將所有與子結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件都復(fù)制到裝配體模型所在的文件夾中，便完成組裝過(guò)程。對(duì)于組裝后的模型添加零部件之間的接觸條件并開(kāi)始計(jì)算，縮聚方法還需在軟件中添加使用子結(jié)構(gòu)的命令流，模型計(jì)算時(shí)只會(huì)在主自由度上進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算完成后需要添加擴(kuò)展子結(jié)構(gòu)的命令流，將主自由度上的結(jié)果擴(kuò)展到所有自由度上，便會(huì)得到整體模型的結(jié)果。上述過(guò)程均為針對(duì)裝配體模型的模態(tài)計(jì)算，在計(jì)算模型的響應(yīng)時(shí)需要使用模態(tài)疊加法并添加阻尼，為了與試驗(yàn)結(jié)果一致，本發(fā)明利用在軟件中添加命令流的方法來(lái)添加系統(tǒng)的模態(tài)阻尼比。最后添加上系統(tǒng)激勵(lì)并計(jì)算便可得到響應(yīng)。

(5)確定多種工況下裝配體試驗(yàn)方案并開(kāi)展試驗(yàn)。為盡量保證裝配體模型的正確性，需要分步進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)。首先為了驗(yàn)證各零部件之間的接觸條件設(shè)置，需要對(duì)裝配體進(jìn)行自由態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，利用激振器和多普勒激光測(cè)振儀得到整個(gè)模型的頻率和振型。然后為了驗(yàn)證裝配體整機(jī)與外界的約束條件設(shè)置，需要對(duì)裝配體進(jìn)行約束態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，得到模型的頻率和振型。最后為了驗(yàn)證系統(tǒng)的阻尼設(shè)置，需要對(duì)裝配體進(jìn)行約束態(tài)響應(yīng)測(cè)試，激勵(lì)條件根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)確定，可以采用單點(diǎn)激勵(lì)或者整體基礎(chǔ)激勵(lì)，響應(yīng)拾取點(diǎn)選擇在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

(6)根據(jù)測(cè)得的固有頻率、振型和響應(yīng)結(jié)果對(duì)裝配體仿真模型進(jìn)行模型修正。首先根據(jù)裝配體自由態(tài)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)節(jié)零部件之間的接觸條件設(shè)置，以使個(gè)零部件的頻率和振型與試驗(yàn)結(jié)果相符。其次根據(jù)裝配體約束態(tài)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)節(jié)整機(jī)模型與外界的約束條件。最后根據(jù)裝配體約束態(tài)響應(yīng)結(jié)果調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模態(tài)阻尼，由于有時(shí)試驗(yàn)得到的響應(yīng)曲線復(fù)雜，難以分辨階次，調(diào)節(jié)阻尼時(shí)可以采用分頻段調(diào)節(jié)的方法，即某個(gè)頻率段采用相同的模態(tài)阻尼。如果前述激勵(lì)方式采用基礎(chǔ)激勵(lì)時(shí)，模型計(jì)算得到的響應(yīng)為零部件之間的相對(duì)響應(yīng)，如計(jì)算絕對(duì)響應(yīng)還需對(duì)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行后處理，將響應(yīng)值與激勵(lì)值相疊加。

為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，將以上步驟應(yīng)用于某服務(wù)器機(jī)箱模型的分析，作進(jìn)一步的描述。

(1)由于機(jī)箱外殼與各個(gè)電路板組件之間相互獨(dú)立，所以將機(jī)箱裝配體劃分為機(jī)箱外殼與電路板部件共9個(gè)子模型，根據(jù)各自的三維模型分別導(dǎo)入程序中，設(shè)置材料參數(shù)和接觸條件等并自由劃分網(wǎng)格，建立起各自的有限元模型，并進(jìn)行自由態(tài)模態(tài)計(jì)算。劃分完網(wǎng)格的有限元模型如圖2所示。

(2)分別對(duì)機(jī)箱外殼與各個(gè)電路板部件進(jìn)行自由態(tài)模態(tài)測(cè)試，采用激振器激振，采用polytec激光測(cè)振儀拾振，機(jī)箱外殼測(cè)點(diǎn)布置在上下表面上，電路板測(cè)點(diǎn)布置在正反表面上。

(3)分別對(duì)機(jī)箱外殼與各個(gè)電路板部件進(jìn)行模型修正，首先根據(jù)各部件的質(zhì)量分別調(diào)節(jié)其密度，然后根據(jù)頻率和振型調(diào)節(jié)機(jī)箱外殼與骨架之間的接觸和電路板單板與芯片及防火板之間的接觸條件。

(4)將各個(gè)部件的有限元模型在程序中的mechanical模塊里保存為mechdat格式文件并導(dǎo)出，然后在軟件中新建一個(gè)模型作為裝配體模型，將所有的mechdat格式文件導(dǎo)入，并在各模塊之間建立連接形成總的裝配體模型，然后在模型中添加各電路板部件與機(jī)箱骨架之間的接觸條件并計(jì)算模態(tài)，上述為直接組裝的過(guò)程?？s聚組裝是首先在各個(gè)部件模型的mechanical模塊里添加生成子結(jié)構(gòu)的命令流，將模型自由度縮聚到主自由度上，將生成的所有有關(guān)子結(jié)構(gòu)的文件和按照前述方法導(dǎo)出的mechdat格式文件一起復(fù)雜到裝配體模型文件夾下，然后按照前述方法完成直接組裝，然后在裝配體模型中添加使用和擴(kuò)展子結(jié)構(gòu)的命令流進(jìn)行模態(tài)計(jì)算并擴(kuò)展到全部自由度，即可完成縮聚組裝過(guò)程。在計(jì)算響應(yīng)時(shí)，采用模態(tài)疊加法加速計(jì)算，并且利用命令流添加各階模態(tài)阻尼比，以與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照。

(5)對(duì)裝配體開(kāi)展試驗(yàn)。首先對(duì)機(jī)箱裝配體進(jìn)行自由態(tài)模態(tài)試驗(yàn)以確定電路板部件與機(jī)箱骨架之間的接觸條件，測(cè)點(diǎn)布置在機(jī)箱外殼上下表面上和電路板的表面上，由于電路板在機(jī)箱內(nèi)部，因此需要在機(jī)箱外殼上鉆孔以保證激光照射在電路板表面上。然后對(duì)機(jī)箱裝配體進(jìn)行約束態(tài)模態(tài)試驗(yàn)以確定機(jī)箱的約束條件，測(cè)點(diǎn)仍然是上述位置。最后對(duì)機(jī)箱裝配體進(jìn)行響應(yīng)測(cè)試，在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域拾振。

(6)進(jìn)行模型修正。首先根據(jù)自由態(tài)模態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)電路板部件與機(jī)箱骨架之間的接觸條件，其次根據(jù)約束態(tài)模態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)箱掛耳處的約束條件，最后根據(jù)電路板上拾振點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模態(tài)阻尼。經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)步驟便可完成裝配體的分布式協(xié)同仿真工作。

圖3(a)是傳統(tǒng)的利用裝配體模型計(jì)算結(jié)果示意圖；圖3(b)是本發(fā)明的組裝計(jì)算響應(yīng)結(jié)果示意圖。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可知，組裝計(jì)算與利用裝配體模型計(jì)算得到的結(jié)果完全一致，但是由于組裝方法可以將任務(wù)分解，由不同工作人員同步進(jìn)行，因此可以大幅度提高工作效率。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。