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某商务车电器可靠性试验夹具建模与有限元分析 摘要 作为汽车重要组成部分的汽车电器系统，对于提升汽车的价值，发挥着越 来越重要的作用。随着消费水平的提高，人们对汽车电器系统的可靠性要求也 越来越高。为考核汽车电器的可靠性，需对其进行振动可靠性实验。夹具是用 于装夹和固定电器系统的支撑部件，是实验的重要组成部分，其动态性能对振 动试验结果有重要影响。 本文基于振动试验及汽车电器振动可靠性试验夹具设计的一般原理和要 求，依据试件的外形及安装定位方式建立了夹具的三维模型。应用有限元分析 与实验模态分析验证相结合的方法，设计了一套用于某商务车电器振动可靠性 试验的夹具。用有限元方法分析计算了夹具的模态频率与振型，依据分析结果 对夹具的结构进行了改进，使夹具动态性能满足了试验要求。在夹具制造完后， 应用实验模态分析的方法对夹具的动态性能进行了测试，通过实验结果与有限 元分析结果的对比，表明夹具设计是成功的。 本文探索了一种振动实验夹具设计的新方式。与传统夹具设计方法不同， 在设计过程中即可对夹具进行针对性修改，大大提高了设计效率，缩短了设计 周期。通过实验的验证，能很好的保证夹具的动态性能。这种方法可广泛应用 于结构动态设计，是现代设计的新模式。 关键词：汽车电器；可靠性；试验夹具；动态设计 t h em o d e lb u i l d i n g & f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ff i x t u r ef o r m p va u t o m o b i l ee l e c t r o n i c sr e l i a b i l i t yt e s t a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c ss y s t e m ，a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f a u t o ，a r ep l a y i n gm o r ea n dm o r es i g n i f i c a n te f f e c to np r o m o t i n gt h ev a l u eo f a u t o p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o no nt h er e l i a b i l i t yo f t h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c s s y s t e mw h e nc o n s u m p t i o ni m p r o v e d i no r d e rt oa s s e s st h er e l i a b i l i t yo f a u t o m o b i l e e l e c t r o n i c s 。t h ev i b r a t i o nr e l i a b i l i t yt e s tn e e dt ob e e nd o n e t h ef i x t u r ew h i c hi s u s e dt oc l a m pa n df i xt h ee l e m e n t s i m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h et e s t ，s o g r e a ti n f l u e n c eo nt h ev i b r a t i o nt e s t o ft h ee l e c t r o n i c ss y s t e mi so n eo ft h em o s t t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ef i x t u r eh a s b a s e do nt h ec o m m o n l yt h e o r ya n dr e q u i r e m e n to fv i b r a t i o nr e l i a b i l i t yt e s t a n df i x t u r ed e s i g n ，a c c o r d i n gt ot h ef i g u r ea n ds e t t i n gl o c a l i z a t i o no ft h ee l e c t r o n i c s ， t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ff i x t u r ew a sc o n s t i t u t e d i nt h i sp a p e r ，as u i t o f f i x t u r e sf o rr e l i a b i l i t yv i b r a t i o nt e s tb yf e ma n de x p e r i m e n tm o d e la n a l y s i s t h e m o d a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d a lw e r ec a l c u l a t e du s i n gf e m b yt h er e s u l to f a n a l y z a t i o n ，t h es t r u c t u r eo ff i x t u r ew a sm e n d e dt ou pt ot h et e s tr e q u i r e m e n t t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff i x t u r e sw e r e t e s tb ye x p e r i m e n tm o d e la n a l y s i sa f t e r p r o d u c e d t h et e s t i n gr e s u l tw a sc l o s e dt ot h er e s u l to ff e m ，s ot h ef i x t u r ed e s i g n i n g w a ss u c c e s s f u l i n t h i sp a p e r ，an e wm e t h o do fv i b r a t i o nt e s tf i x t u r ed e s i g nw a se x p l o r e d w e c o u l dm e n dt h ef i x t u r ei nt h ed e s i g n i n gp r o c e s sb yt h i sm e t h o d ，t h a tw a sd i f f e r e n t f r o mo t h e rc o m m o nm e a n s ，w h i c hd i dt h a to n l ya f t e rt h ef i x t u r ew a sp r o d u c e d t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ef i x t u r ec a n b ea s s u r e db ye x p e r i m e n t s o ，w ec o u l ds a v e d e s i g n i n gt i m e ，a n dt h ee f f i c i e n c yw a se n h a n c e dg r e a t l y t h i sn e wp a t t e r nc a nb e a b r o a d l ya p p l i e dt os t r u c t u r ed y n a m i cd e s i g n k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c s ：r e l i a b i l i t y ；t e s tf i x t u r e ：d y n a m i cd e s i g n 图2 1 图2 2 图2 3 图3 - 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1o 图4 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 插图清单 试验能量传递图7 试验系统原理图8 试验方案分解图8 夹具设计流程图1 4 l 号夹具电器布置图1 5 1 号夹具三维模型1 5 2 号夹具电器布置图1 6 2 号夹具三维模型1 6 3 号夹具电器布置图1 7 3 号夹具三维模型1 7 1 号夹具有限元模型2 0 1 号夹具前十阶振型图2 2 2 号夹具有限元模型2 3 2 号夹具前十阶振型图2 4 3 号夹具有限元模型2 5 3 号夹具前十阶振型图2 6 3 号夹具初步改进后三维模型2 7 3 号夹具进一步改进后三维模型2 7 3 号夹具进一步改进后前十阶振型图2 9 线束固定架三维模型3 0 夹具总装配示意图3 0 试验模态分析原理图3 5 试验模态分析流程图3 6 2 号夹具试验模态分析振型4 0 表格清单 表4 1l 号夹具前十阶模态计算结果2 1 表4 22 号夹具前十阶模态计算结果2 3 表4 33 号夹具前十阶模态计算结果2 5 表4 43 号夹具改进后前十阶模态计算结果2 8 表4 53 号夹具改进后前五阶变形最大偏移量2 9 表4 - 6夹具系统的相关参数表一3 1 表4 7夹具系统结构的一阶频率表3 1 表5 1试验仪器设备3 5 表5 22 号夹具实验值与分析值对比3 9 表5 32 号夹具模态试验前十阶模态频率及振型描述3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥目巴工些态堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一躲瞿t 薅 哪嘶小 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权盒目曼王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期游严月 电话： 邮编： 上日 差 一夜 肛 名凋 獬聊 者忙辨 致谢 两年多的研究生生活即将过去了。首先要感谢我的导师陈剑教授两年多来 在生活和学习上对我的关心和教诲。陈老师认真负责的工作态度，严谨的治学 精神，渊博的学识，务实的工作作风，不倦的敬业精神使我受益匪浅。陈老师 对我孜孜不倦的教诲让我受益终身。值此论文完稿之际，谨向导师致以最诚挚 的谢意。 感谢毕传兴教授，毕老师严谨的治学态度，广博的学识深深的影响着我。 在研究生学习中，实验室里浓厚的学术氛围和良好的学习环境，让大家能够集思 广益，共同成长。同学之间的交流和沟通也让我学会了如何在团队中开展工作。感谢 与我同届李继峰、文智明、穆国宝、张小正、张炳荣、陈立涛、张金圈、唐琦、袁艳、 费丽梅、乌静、俞秋慧、周博、马文明、陆兵、李青、段月磊、汪学岭、蔡克强等同 学。两年多的朝夕相处让我们建立了深厚的友谊，使我终生难忘。还要特别感谢罗玉 军博士、程吴博士，室友李继峰在生活和研究工作等各方面对我的大力支持。 感谢我的父母和家人一直以来对我的理解和支持，让我能在知识的殿堂里充实自 己，父母和家人的支持和理解是我最大的动力。 最后，再次感谢所有关心、帮助和支持过我的老师、同学和朋友! 第一章绪论 1 1 课题来源、研究目的及意义 本课题来源于某汽车企业项目汽车电器可靠性试验台系统集成开发。 汽车产业是一个国家工业水平象征，进入新世纪以来，我国汽车业发展迅 速，特别是今年，在国外汽车业受到经济危机严重冲击的情况下，我国汽车业 全年产销双双突破1 0 0 0 万辆大关，跨入汽车产销大国行列。 在汽车产品中，作为汽车四大件之一的汽车电器系统，其性能对整车质量 至关重要，电器系统的振动可靠性直接影响着整车的性能，汽车生产厂家若能 够在电器装配前对各电器元件进行检测，确保这些电器元件的可靠性符合标准， 就可以保证产品质量，提升产品的竞争力。因此，汽车电器振动可靠性试验台 测试系统需求量巨大。本项目致力于汽车电器振动可靠性试验台的系统开发。 而夹具作为试验的重要组成部分，其设计、制造的合理性直接影响到电器可靠 性测试的结果，因此，设计过程中要尽可能的考虑全面，避开共振频率，加工 时也要尽量合理以确保其性能。 1 2 国内外发展概况 随着私家车购买量的迅速增长，人们越来越重视汽车电器系统的性能及质 量。因汽车在行驶过程中是一个动态过程，而在这过程中影响汽车电器性能的 主要因素是振动，所以汽车电器可靠性测试主要是针对电器振动方面，目的是 测试在振动下电器的性能，国外较大的汽车厂商都有自己的电器可靠性试验系 统，且技术也比较成熟。而国内目前只有少数大型汽车企业拥有自己的汽车电 器可靠性试验设备，但是这些实验设备一般只能完成一些较简单的试验，且实 验数据处理能力也不足。本课题就是针对整车电器系统进行振动可靠性检测， 具有通用性强、效率高等优点。在振动夹具设计方面国内还没有形成很成熟的 方法，目前的理论也很不完善，现有的一些方法和理论不能满足现代设计的要 求，因此，在这方面需要进一步的探讨和研究。 1 2 1 夹具设计技术现状 在国内，振动实验及其振动实验夹具设计的研究始于我国航天事业的发展。 6 0 年代初期，我国的科研工作者就开始了振动实验系统的开发，包括各种振动 试验台、传感器以及分析仪器。9 0 年代，我国的科研人员成功的研制出三综合 实验振动台系统。但在那时，作为振动实验的重要环节之一的实验夹具设计并 没有引起设计人员足够的重视，也缺乏先进的设计思想与方法。振动实验夹具 设计一般选择以下两种方法：一是经验法。经验法是以前夹具设计中运用最为 广泛的方法之一，设计者根据设计要求提出设计方案，运用相关理论对其进行分 析与校核，设计加工夹具后进行测试，如不符合要求，则进行修改，直到满足 要求为止。但是这种方法设计周期较长，设计时盲目性较大，没有形成系统的 设计思想和方法；二是“邓柯莱法”【l 】，这种方法简单、实用。在夹具设计早 期，用的较多，其原理是将夹具整体分解为规则的组成部分，求出各组成部分 的固有频率，然后运用“邓柯莱公式 求解夹具整体的固有频率。但是，这种 方法的误差较大，所设计的夹具很难保证其动态性能，夹具传递性较差，容易 产生“欠振动与“过振动 ，当二阶以上的固有频率远高于一阶固有频率时， 且夹具的结构比较简单规则时可以使用这种方法来设计夹具。结构复杂的夹具 用这种方法比较繁琐，也很难对其进行有针对性的修改，保证不了设计进度【2 】。 近年来，顾松年【3 j 等指出了夹具在振动试验中的重要性，并通过试验测试 了不同动态特性夹具对试验结果的影响，表明夹具设计应注重动力学性能；朱 学旺【4 】等对振动试验中的夹具动态性能进行了相关研究，并根据随机振动试验 闭环控制的原理，采用单自由度模型分析研究了夹具动态性能和控制精度之间 的关系；周临震与王新民 5 1 利用n a s t r a n 和p a t r a n 软件建立了某微型发动机随机 振动试验夹具的有限元模型，进行了强迫随机振动响应分析，并利用大质量法 对基础加速度激励进行了相关研究；任志乾等【6 】利用m s c 动力学仿真软件对某汽 车油箱振动试验夹具进行了理论分析和振动试验，还对仿真与试验结果进行了 比较。王东升【7 j 等利用i - d e a s 软件分析研究了典型振动试验夹具性能，进行了 设计灵敏度分析，分析了设计变量的变化对各阶固有频率的影响。 国外对振动环境实验的研究工作是随着航空航天器的发展而起步的。在初 期，只能通过求解动力学方程，解得系统的低阶模态，而理论分析结果与实际 值相差较大，很难达到设计的要求。快速傅立叶变换( f f t ) 、有限元方法、随 机振动以及谱分析等理论的引入，使得振动试验夹具的设计取得了快速的发展， 也促成了一系列标准、规范的产生，如美国军用标准一m i l s t d 一8 1 0 f 5 1 4 5 振动。随着计算机软件技术发展，结构动态设计成为发展趋势邛】。 一些高端产品如航空航天器对于性能要求很高，而影响其性能的主要是振 动，传统结构设计方法很难满足这些产品的设计要求，无法保证其工作的安全 性和可靠性。采用结构动态设计的方法可以很好的控制产品结构的振动平衡， 改善产品的性能，提高安全性及可靠性。所以，现代设计中结构动态设计越来 越重要。 结构动态设计【9 】就是根据结构工作时的动力学环境要求，对结构频率、阻 尼、振型等动态特性参数进行设计和改进，使结构的动态特性符合设计的要求 【l o 】。结构动态设计主要可以分为振动特性设计和振动响应设计【l 。振动特性设 计是要求结构在满足静强度的前提下，使结构的固有频率、固有振型、阻尼等 振动特性满足设计要求：振动响应设计是在结构满足固有特性、静强度等要求 的同时，还要满足振动激励响应( 包括应力、应变、速度、加速度等) 要求。基 2 于有限元技术的动态设计方法作为现代设计的重要组成部分，越来越受到设计 者的重视。 1 2 2 现代夹具设计思想 随着计算机及软件技术的发展，计算机辅助设计( c a d ) 的应用，引入了 新的设计理念，大大的提高了设计的效率。现代夹具设计的理论基础是动态设 计与子结构综合法。子结构法也可以说是一种分解方法，它将整体结构从几何 上分成若干个相对简单的子结构，分别对每个子结构进行离散、分析和处理， 形成描述子结构的静力学、动力学特性的结构矩阵，然后将各个子结构模型重 新装配组成整体结构的模型，最后对整体模型进行分析计算，来求解结构的静 力学、动力学特性。同时在设计中应用实验模态分析的方法，来检验夹具的动 态性能，确保夹具的质量。将有限元分析方法和实验模态分析结合起来，应用 于振动实验夹具设计，使得高效的设计出符合实验要求的夹具成为可能。 有限元法是一种求解数学微分方程边值问题的数值计算方法。最早用在力 学研究中，在2 0 世纪4 0 年代初期随着计算机技术的发展而发展起来。在1 9 6 0 年， 美国飞机结构工程师c l o u g h 首次使用“有限元”( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这个术 语，并用有限元方法对平面弹性问题进行了研究。2 0 世纪7 0 年代，英国科学家 o c z i e n k i e w i c z 等人将有限元方法的应用推广到了流体力学、电磁场、热传 导等领域。在国内，6 0 年代中国科学院计算机研究所的冯康教授推导出了有限 元计算的数学过程。7 0 年代初，江南造船厂与复旦大学开展合作研究，将有限 元方法应用于船舶结构的设计，使有限元方法在国内工程应用领域开始大规模 的运用【l 引。随着计算机硬件和各种有限元分析软件的成功研发，有限元方法已 广泛应用于机械、汽车、轮船、航空航天、建筑等领域，成为现代工程研究应 用最为广泛的技术之一。 有限元方法的基本思想包括两个方面【l3 】：一是离散化，二是分块插值。“离 散化”的思想来源于差分法，就是把连续的结构系统分割成有限个单元，单元 通过节点相连，构成一个单元集合体来代替原来的连续结构；“分块插值 是 指对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则建立求解未知量与节点相互作 用之间的关系，建立单元的插值函数，然后将所有单元的关联特性按一定的条 件如连续条件、变形协调条件或变分原理结合在一起，引入边界条件，构成一 组以节点变量为未知量的代数方程组，求解后得到了有限个节点处的待求变量。 和其它方法相比，有限元法简单易学，而且通用性强，应用广泛，准确性好， 分析效率高。 有限元方法就是根据设计结构的实际形状，利用c a d 建模软件建立结构的三 维实体几何模型，然后对三维实体模型进行离散处理，并将结构体所受实际载 荷分别施加到各单元体上，最后求出各单元体节点力、位移和动态特性。有限 3 元分析的基本步骤是【1 4 1 ： ( 1 ) 建立三维实体几何模型； ( 2 ) 划分单元网格： ( 3 ) 施加约束与载荷； ( 4 ) 求解各单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程； ( 5 ) 计算结构整体刚度矩阵，建立结构的整体平衡方程： ( 6 ) 求解线性代数方程组，得出各节点位移，由节点位移求各单元节点力 及动态性能； ( 7 ) 分析计算结果。 模态分析是系统辨别理论在工程振动领域的应用【l5 1 ，是结构动力学、数字 信号处理、测试技术和系统辨识等学科的综合。以振动理论为基础、以模态参 数识别为目标的分析方法，就称为模态分析【1 6 】。模态分析与试验为各种产品的 结构设计和性能考核与评价提供了一个强有力的保障，围绕其结果展开的各种 动态设计与改进使模态分析成为结构动态设计的重要方法【1 7 】。 模态分析理论是在机械阻抗与导纳的基础上发展起来的，它以工程控制论 中的传递函数来反映系统的输入输出关系，计算出该系统的固有特性。对于复 杂系统，利用线性系统的叠加原理，分别研究各阶固有频率附近的动态特性【l 引。 模态分析实际上是一种参数识别的方法，模态分析的核心内容即确定结构的固 有频率、阻尼比及振型等模态参数，包括理论模态分析和试验模态分析两种【l9 1 。 理论模态分析主要是通过有限元方法来确定系统的模态参数。试验模态分 析是对系统进行动态测试，先通过试验测得激励和响应之间的时间历程，运用 数字信号处理方法求出频率响应函数，再通过曲线拟合得到系统的非参数模型， 最后进行模态参数识别，得出被测系统的固有特性，进而建立结构动态模型。 因试验模态分析的结果来源于对实际结构的测试，所以得到的模态参数较理论 分析更接近实际结构的真实情况，其准确度取决于测试系统与分析系统的精度 2 0 1 o 试验模态分析是在快速傅立叶变换( f f t ) 算法的基础上发展起来的，并逐渐 成为结构动态设计与分析及设备故障诊断的重要方法，广泛应用于机械、航空 航天、汽车、建筑等工程领域。近年来，蒋国平、王国林等采用试验模态分析 与有限元方法对动力传动系弯曲振动特性进行了研究，建立了系统的弯曲振动 分析模型【2 。胡建荣采用振动理论和模态分析方法，通过有限元软件对预置裂 纹薄板结构进行模态分析计算，得出了裂纹大小、位置与振型、频率之间的对 应关系，并且应用l m s t e s t l a b 试验模态分析系统对理论分析结果进行了验证 【2 引。章骏通过试验模态分析，获得了动力传动系统总成的动态特性参数，并对 其进行受迫响应分析【2 3 】。 4 1 3 论文主要内容及结构安排 本文在参考了大量文献的基础上介绍了振动实验及实验夹具设计的理论与 方法，根据本电器可靠性实验的要求，应用c a d 软件及有限元分析软件，设 计了一套某商务车电器可靠性实验夹具，并对加工后的夹具进行了实验模态分 析，验证了夹具的性能。本文的主要内容如下： 第一章主要介绍课题来源，研究目的及意义，夹具设计发展理论与现状。 第二章简单介绍振动试验的发展及本汽车电器可靠性实验原理及特点。 第三章介绍了试验夹具设计原理与方法，夹具设计的一般要求和本夹具设 计的要求，选材及加工方法，本夹具设计的流程。按照电器试件在原车上的放 置方位，合理的布置其在夹具上的安装位置，在三维建模软件u g 中建立了电 器试件安装夹具的三维模型。 第四章简单介绍了有限元分析软件h y p e r m e s h 和n a s t r a n ，将夹具的三维模 型导入其中，对夹具的动态性能进行了分析，计算出夹具的模态频率和振型， 并根据分析计算的结果对其结构进行了修改，修改后的夹具动态性能达到了设 计要求。 第五章对设计加工的夹具利用北京东方振动和噪声技术研究所研发的数据 采集与信号处理软件d a s p ( d a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g ) 对其进行 了实验模态分析，分析的结果验证了有限元计算结果的准确度与可靠性。 第六章是对本文的总结，提出了本文不足之处，并对将来的研究进行了展 望。 第二章汽车电器可靠性实验简介 2 1 汽车电器可靠性试验概述 在工程应用中，经常会涉及到振动问题。如房屋、桥梁、汽车、船舶、飞 机、航天器等，设计时都要考虑如何减小振动，因为抗振性好可以提高产品的 稳定性，延长产品的使用寿命。在振动的影响下，产品的结构可能会因为持续 的受振而发生变化，甚至失效，因此，可以说振动是影响产品可靠性的一个重 要因素。所以，对很多产品，我们都要进行振动实验，测试其性能和质量。振 动试验就是模拟产品实际的受振情况，对产品施加激励，来考核产品的响应。 1 9 1 4 年，美国就有人提出人工模拟环境的试验方法，为的就是确定所设计、 制造的产品能够承受多大的来自运输过程中的外来振动或使用过程中自身产生 的振动，仍然保持其稳定性。振动试验已作为一种技术方式，广泛应用于产品 设计的各阶段，大量的应用实践证明，它对于缩短产品研发周期，提高设计效 率，保证产品质量，有着十分重要的作用。 振动试验一般可分为现场试验和试验室模拟试验。相对而言，现场试验直 接反映客观真实条件，试验结果的可信度更高。试验室试验虽然是模拟客观试 验条件，但是能够随时模拟各种所要测试的特殊环境，如单一因素对实验的影 响，试验方便，灵活性强，而且便于试验的监控，能够为产品的故障诊断和性 能可靠性评估提供比较全面的信息，试验效率高。所以，试验室试验一直都是 主要的试验方式【2 4 1 。如果按试验环境所涉及因素属性来分类，以力学因素为环 境试验条件的试验称为力学环境试验，是指所受模拟振动、冲击、碰撞、等力 学环境影响的试验。只受单一环境因素激励的称为单项环境试验，两种以上环 境因素共同作用的称为复合环境试验；按照载荷性质又可以分为静态试验和动 态试验如振动、冲击1 2 引。 汽车在上市前都要进行实际路况测试，而其中很重要的一部分就是测试汽 车的电器系统的可靠性。道路试验一般都是在实际路面上进行，汽车公司一般都 有工作人员专门做这项工作，来研究汽车电器件在实际受力和实际载荷下的可 靠性及疲劳寿命。这种测试虽然总体上更符合实际的情况，但是测试周期长，而 且会受到环境条件的限制，需要耗费大量的人力、物力和财力，很难适应当今汽 车产业高速发展的要求。因此，为了缩短研发周期、减少各方面的投入、适应汽 车行业的激烈竞争，可重复性好、试验周期短、试验成本低的室内道路模拟试验， 成为各大汽车生产厂商越来越重视的试验手段【2 6 1 。 传统的振动试验一般是依照环境试验标准，采用正弦激励控制信号的定频 或扫频试验。且试验对象多为单个电器元件，对于大多数元件而言，并未要求 对其加载电应力。而本汽车电器可靠性试验系统的本质是将道路试验在实验室 内再现，其试验方法与传统试验方法有较大的区别。 6 2 2 本试验系统的特点 本汽车电器可靠性试验台系统是对汽车整车电器系统进行试验，是一套用 于道路模拟的振动可靠性试验系统。它将汽车整车电器系统按照原车上的安装 布局方式，通过自行设计的安装夹具固定到振动试验台上，用采集并编辑好的 路谱信号对振动试验台进行驱动激励控制，实现电应力加载，使汽车电器系统 在试验台上按照汽车实际运行状态进行电工况还原，启动监控系统对整个电器 系统实验情况进行监控并记录结果，对整车电器系统的可靠性进行测试【27 1 。 本套汽车电器可靠性试验系统的开发，可以在试验室内模拟汽车整车电器 系统在道路上行驶时的实际工况，对整个电器系统的振动可靠性进行测试，获 取完整、真实的试验数据，此试验结果可作为对汽车电器产品的设计改进和质 量鉴定的依据。与传统汽车电器试验方法相比，本试验系统具有如下特点【2 8 】： 1 以整个汽车电器系统作为试验对象 传统测试一般都是单个部件的试验，而本试验系统针对整车电器系统，可 以对多回路多部件系统振动的可靠性进行整体上的测试，可以较真实的反应实 际路况对电器产品性能的影响，同时也能提高试验效率，降低试验成本。 2 汽车电器在模拟工作状态下进行测试 虽然被测试电器系统脱离实车，但在试验室辅助系统设备的配合下，采用 事先采集的路面激励响应信号控制振动台，系统各电器设备仍可在实际工作状 态下工作，同时承受振动激励应力和电应力的作用，使得试验时的工况与实际 路面工况较为接近。 3 试验系统可实行在线监测、实时故障诊断与报警 试验系统使用在线监测的方法，采集被测试系统内的电量，实时监控电路 状态的变化并对故障进行诊断与报警。试验监控系统对试验过程中的数据进行 记录，用于试验分析与查询。 试验能量传递图如图2 - 1 所示，实验系统原理图如图2 - 2 所示，实验方案 分解图如图2 - 3 所示【2 9 j ： 图2 1试验能量传递图 7 ，_ = 1 | ：笔多豸貉h 一挚 ! 萄0 4 i _ o 善k 三五二j 掣咚 l | 白j 图2 - 2试骁系统原理图 图2 - 3 试验方案分解图 选用某公司的振动控制器，具有随机、冲击、正弦、道路谱控制等多振动 模式：可进行多点平均、单点、多点最大值等多种控制；路谱编辑器可对任意 振动激励信号进行处理，处理后的信号作为振动台控制信号使用，使系统具有 很强的通用性。 第三章夹具结构造型建模 3 1 试验夹具设计原理与方法 振动试验夹具设计是一项比较复杂的工作，因为一般加工夹具只要求固定 夹紧，而振动试验夹具还要求具有良好的动态性能，满足质量、频率、刚度等 试验的多方面的具体要求。振动夹具设计应充分考虑试件的具体外观，质量， 频率，要能合适的装夹试件，避开共振频率。夹具的横向、纵向平移，弯曲， 扭转不能太大。一般情况下阻尼并不会明显地改变结构固有频率，而会影响振 动的幅值。影响夹具固有频率的两个主要因素是质量和刚度。对于结构复杂但 规则的夹具的固有频率，可以应用邓柯莱公式来估算。 夹具的首要功能是固定被测试试件并将振动信号传递给试件。因此夹具本 身要有足够的强度和刚度及较好的传递特性。而且静态试验和动态试验对夹具 性能的要求也是不同的，静态实验要求夹具在保证强度和刚度的条件下质量尽 可能的小；而动态实验除满足刚度、强度、质量的前提下，还要求将振动实验 台的运动尽可能不失真的传递给被测试件。 3 1 1 频率 夹具固有频率( 一阶模态频率) 应满足试验的频率范围要求，一般产品实 际振动都是随机振动，因此在做可靠性试验时我们的激励也要求是随机振动， 频率变化通常为2 0 2 0 0 0 h z 左右。为避免试件与夹具发生共振耦合，所设计的 夹具的一阶频率必须大于试件的一阶固有频率，而且应该有一定的富余量。这 也是可靠性试验夹具设计中非常关键的方面，夹具固有频率的计算，可以使用 有限元分析软件，也可使用d u n k e r l e y 公式方法【30 1 。 上：去+ 上+ 上 ( 3 1 ) 万2 万+ 万。了 u j 式中：厂为夹具固有频率； 力以为夹具各组成部分的频率。 当然d u n k e r l e y 法计算固有频率要求夹具为板块状简单结构，复杂形状的夹 具用这种方法计算误差较大。随着计算机及有限元技术的发展，现代设计中更 多的使用有限元分析软件来计算夹具的固有频率，而且效率更高，误差也相对 较小。 3 1 2 质量 夹具的质量可以由以下公式估算 f = ( m l + m 2 + m 3b( 3 2 ) 式中助振动台额定推力；尬为夹具质量；尬为试件质量；m 3 为动圈底座 质量；a 为加速度。 9 根据振动台的额定参数值和试验中振动台的最大加速度来估算出夹具的重 量范围，因为试件和动圈底座的质量是固定的，因此夹具的质量在满足这个范 围内应尽量小，这样可以提高夹具固有频率，避开共振区。 3 1 3 刚度 试件密度、体积越小，刚度越大，固有频率就越高，因此试验中不仅要求 刚性连结，而且夹具本身的刚度要越大越好。常用的制造夹具的材料是钢、铝、 镁及各种合金。材料的比刚度【3 1 】大，也就是刚度大且质量轻，那么夹具的固有 频率就会越高，这样可以提高夹具的传递性能，而且夹具的频率响应范围也更 大，因此设计者应根据成本及实际的需求，选择合适的夹具材料。 3 1 4 夹具材料 为保证夹具具有较好的高频特性，要求其刚度要好，因为夹具设计时其强 度会比较大，所以夹具一般不会因强度不足而损坏，因此材料的强度和疲劳特 性在夹具的设计时一般不予考虑。夹具的选材原则是既要重量轻，又要刚度大， 使固有频率尽量高，理想状态是使试件和夹具的固有频率比最高的试验频率要 大，使夹具在试验频率范围内不会发生共振。所以在夹具的选材中，经常考虑 的是材料的密度、阻尼、比刚度和加工特性等【2 1 。 由于质量是夹具设计时考虑的关键参数之一，对于相同体积的金属，钢( 密 度为7 6x1 0 3k g m 3 ) 比铝( 密度为2 7x1 0 3k g m3 ) 和镁( 密度为1 8x1 0 3k g m 3 ) 重的多。所以铝和镁是常用的夹具材料，一些铝镁合金的特性也比较好， 且加工也相对容易。 具体选择材料时，要从实际出发，不但要考虑材料物理性能，还要看夹具 的具体用途，加工的便利性，时限性，经济性，性价比要高。本试验夹具用于 振动试验，综合各方面的因素，选择q 2 3 5 钢材。 3 1 5 结构外形【3 l 】 常见的夹具类型有转接板、t 型夹具、l 型夹具、圆筒式夹具、框架网式 夹具、立方体夹具、封闭的盒式夹具。设计时应根据试件的外形、安装方式及 性能要求合理的选择夹具的类型。 夹具的加工制造要综合考虑加工工艺，生产周期，经济性等多方面的因素， 要求周期短、好加工、成本低，具体加工方案要根据所需夹具的性能来选择。 通常可选择铸造、焊接、螺接等方式加工夹具。 3 1 6 铸造加工【2 】 为了提高夹具的刚度，夹具的结构通常会有比较复杂的加强筋板。如果用 l o 其它方法来加工夹具，很难保证夹具的质量。这种情况下应该选择铸造加工， 因为铸造法能够一次成形各种复杂结构，因此铸造法在复杂结构夹具的制造加 工中应用比较广泛。当然采用铸造法时因为需要先做模具，需要较长的时间， 所以应充分考虑对所设计夹具的工期要求；每种材料的可铸造性能是不同的， 所以对不同的材料应采用不同的铸造方法：在铸造过程中，特别是在熔化和浇 铸时，要注意防止出现气孔，因为气孔会严重影响铸件的质量：在夹具铸造成 形后也应对其进行必要的热处理。 铸造加工法不仅能适应各种复杂形状，而且和其它加工方法相比，能获得 更高的阻尼 3 2 1 ，而高阻尼有利于减少共振时的振幅。因此为了能获得高阻尼， 在铸造时应注意如下几点：能使用砂铸时尽量不使用压力铸造；合金的含量要 尽量低；尽量减少铸造后的加工，因为加工会减小铸件的阻尼。 在夹具结构比较复杂的情况下( 特别是有弧度或曲面时) ，应优先考虑用铸 造加工，因铸造合金的阻尼比相对较高，且加工成本较低，经济方便，可适应各种 复杂夹具形状，保证夹具所需性能，满足多方面设计的要求。但铸造加工周期较 长，有时不能及时交货。 在实际使用中铸造加工法可与螺纹连接法配合使用，发挥各自的优点。对 于夹具的一些主要部件可以采用铸造法加工，而一些小部件可以使用螺接法连 接。这样可以使夹具获得较高的阻尼，因此适用性较广。 3 1 7 焊接加工 焊接加工法【z j 能够有效防止夹具各部分的相对运动，焊接加工夹具比铸造 加工夹具周期更短，费用也相对更低，通用性强，是现代夹具设计加工用的较多 的方式。以前由于焊接技术及材料的问题，在振动试验中焊接件经常振坏，很难 保证试验的完成。随着焊接技术的发展及新材料的使用，焊接夹具的性能已经 可以达到试验要求，在现代的夹具设计中应用得越来越广泛。 夹具使用焊接法时要注意材料的焊接性能，因各种材料的焊接性能不一样， 能否使用焊接法应根据具体所选材料来决定。若选择焊接，还应选择合适的焊 缝形式、焊接工具。双边坡口焊缝形式的焊接应力分布较好，有利于防止振动 时焊接件之间的相互冲击振动而造成的焊缝断裂。连续焊缝的惰性气体保护焊 可以有效的保证焊接的质量，避免振动时焊缝断裂。由于夹具焊接后会有残余 应力和变形，因此，完成焊接后要进行必要的热处理和机加工，这样可以减小 焊接后的残余。否则，在振动实验时，焊缝容易产生裂缝。如条件允许，还可 以对焊接夹具的焊缝进行无损检测，来保证焊接的质量。在运用焊接法时，关 键是如何保证焊接的质量，选择哪种的焊缝形式以及焊接后怎样进行热处理。 3 1 8 螺纹连接 螺纹连接法【2 1 具有简单、方便、经济、互换性强的优点。在夹具设计中如 采用螺接法时，为了使螺接的夹具各部分能牢固的连接在一起，要使用大量的 高强度螺栓，并使用较大的预紧力，而且螺栓的间距要小，否则螺栓之间的跨 度过大容易发生共振。另外，在螺栓连接时使用一些弹性材料，也有利于减小 夹具的振动。 螺纹连接法是机械部件连接中用的最多的方法，但在振动夹具设计加工 中，应优先考虑整体铸造和焊接夹具，尽量不要使用螺纹连接夹具。因为螺纹连 接配合面间的精度要求比较高，而且很难保证合适的螺栓预紧力，特别是在试验 过程中，如果预紧力不足，夹具上各组成部件会产生较大的偏移，夹具的传递性 能变差，而且会损坏被测试件。所以，一般情况下都不使用螺纹连接，只在客 观条件只允许螺接时才使用，而且应采用强度较高的螺栓，将夹具各组成部分 连接牢固，保证夹具的刚性。 考虑到本试验中被测试件外形多样化，整体比较复杂，铸造难以保证夹具 性能，螺接传递性差，因此选择焊接加工法。 3 1 9 配重1 3 3 】 在振动试验中，为得到较准确的测试结果，要求夹具和试件的合成重心尽可 能与振动台的轴线在同一直线上。因此对于某些夹具可能需要配重，配重最好 选用阻尼高、密度大的铅材。使用钢材配重时，要注意以下两点：( 1 ) 采用螺 栓联接配重时应保证螺栓有足够的预紧力；( 2 ) 钢材的阻尼特性较差，所以需 要在夹具和配重块之间涂抹或加垫大弹性阻尼材料来增加阻尼，为的是当螺栓 的预紧力不足时，弹性阻尼材料可吸收高频振动时夹具和配重块之间碰撞能 量，减小振动。 3 2 实验模态分析 为了保证振动试验结果的可靠性，夹具在加工制造后，一般还应对其进行 实验模态分析，以测试其主要动态性能，如夹具的固有频率、传递特性、振型、 波形失真度等是否符合要求，如果不符合则仍需采取相关措施进行修正。因为 夹具加工制造过程对夹具的性能影响也是很大的，加工过程控制的不好就会使 得夹具实际的性能和理论分析值有较大的差距，如不进行实验分析，就很有可 能因夹具不符合实验条件而影响到整个可靠性测试的结果。根据实验模态分析 的结果对夹具进行改进可以有效的避免这种情况发生。因此，在振动实验正式 进行前，般都要对夹具进行实验模态分析。 1 2 3 3 振动夹具设计的一般要求【3 4 j 振动试验夹具的主要作用是将振动台的振动能量尽量不失真的传递给试 件。夹具的动态特性要好，频率要高，刚度要大，质量要小，一阶固有频率要 高于试件的一阶固有频率，在试验频率范围内不能发生共振。具体夹具的设计 要求会因试验要求而不同，振动夹具的一般设计要求如下： 1 夹具的频率响应特性在试验频率范围内应尽量平坦，夹具的一阶固有频 率要高于试件的一阶固有频率的3 5 倍，避免夹具与试件发生共振耦合； 2 夹具的阻尼要尽量大，共振时，夹具品质因数q 不应大于4 ； 3 夹具的质量为被测试件质量的3 倍左右最佳，刚度质量比要大； 4 夹具与被测试件连接面上的各连接点的响应要尽量一致，以确保试验振 动激励信号输入的均匀性； 5 夹具非振动方向上的偏移要尽量小； 6 夹具波形失真要小，在小于夹具一阶固有频率时，波形失真不应大于2 5 ； 大于夹具一阶固有频率时，波形失真不应大于6 0 。 7 夹具设计时尽量保持试件的原始安装状态，保证试验结果的准确性与可 靠性。 本试验为汽车电器可靠性振动试验，夹具与试件、底座与振动台的连接要 牢固可靠；夹具设计时还应考虑试件安装的便利性，因此该夹具的设计还要满 足以下要求： 1 夹具一阶固有频率要避免发生耦合共振，应大于2 0 0 h z ； 2 结构合理，各电器元件安装时不会发生干涉； 3 装夹方便可靠、便于加工。 3 4 本试验夹具设计流程 传统的夹具设计大多凭借设计者经验，要经过设计、制造、试验、修改、 试验、再修改、再试验的循环，设计周期过长，设计精确性较差，很难满足现 代设计的需求。随着计算机技术和软件科技的发展，现代设计融入了新的理念，