大型振动台夹具的模态分析及结构改进
振动系统的模态分析及其在结构工程中的应用
振动系统的模态分析及其在结构工程中的应用振动是物体在受到外界作用力或能量的影响下产生的周期性运动。
在结构工程中，振动系统的模态分析是一项重要的技术，可以帮助工程师了解结构的振动特性，从而指导设计和改进结构的安全性和稳定性。
一、什么是振动系统的模态分析？振动系统的模态分析是指对振动系统进行分析和计算，得到系统的固有频率、振型和振幅等信息的过程。
模态分析是通过求解振动系统的特征方程和特征值来实现的。
在振动系统中，特征方程是描述系统振动行为的数学方程，而特征值则是方程的解，代表系统的固有频率。
通过求解特征方程，可以得到系统的所有特征值和对应的特征向量，从而确定系统的振动模态。
二、振动系统的模态分析在结构工程中的应用1. 结构设计优化振动系统的模态分析可以帮助工程师了解结构的固有频率和振型，从而指导结构的设计优化。
通过调整结构的参数，比如材料的选择、截面的尺寸等，可以使得结构的固有频率与外界激励频率相差较大，从而减小共振现象的发生，提高结构的稳定性和安全性。
2. 结构故障诊断振动系统的模态分析可以用于结构故障的诊断。
当结构发生故障或损伤时，其固有频率和振型会发生变化。
通过对结构进行模态分析，可以检测出结构的异常振动模态，进而判断结构是否存在故障或损伤，并进行相应的修复和维护。
3. 结构动力响应预测振动系统的模态分析可以用于预测结构在外界激励下的动力响应。
通过将外界激励作用于结构的模态振型上，可以求解结构的动力响应，包括位移、速度和加速度等。
这对于评估结构的动态性能、设计结构的减振措施以及预测结构在地震等自然灾害下的响应具有重要意义。
4. 结构材料性能测试振动系统的模态分析可以用于测试结构材料的性能。
通过对材料样本进行振动实验，可以得到材料的固有频率和振型等信息。
这对于研究材料的力学性能、优化材料的结构和制备工艺具有重要意义。
三、振动系统的模态分析方法振动系统的模态分析方法有多种，常用的包括有限元法、模态超级位置法和模态曲线法等。
GJB150A振动试验改进介绍
GJB150A振动试验改进介绍浅谈GJB 150A振动试验部分的几点改进朱耀航天科工防御技术研究试验中心（航天二院201所）一、引言从1986年GJB150（参考MIL-STD-810Ｃ）发布到2009年GJB 150A（主要参考MIL-STD-810Ｆ，部分参考MIL-STD-810Ｇ）的发布，中间间隔了13年的时间（在这段时间里美军标MIL-STD-810更新了C、D、E、F、G共５个版本），由于时间跨度较大，两版国军标也存在较大区别，同时由于新军标推出时间较短，因此也有必要对GJB 150A的改进做一个简单的介绍。
二、GJB 150A总结改进简述整体上GJB 150A相对于GJB150最大的变化就是结构形式（或编排方式）发生了变化。
刚开始制定GJB150时是参考美军标MIL-STD-810C进行的，因此GJB150最初也是一个单纯的环境试验标准，主要内容就是对环境试验条件、试验设备和具体的试验方法做出规定和限制。
从810D开始，810标准便逐渐转变为裁减标准，由于GJB 150A 主要是参考810F制定的，因此与150相比，150A不再对具体试验方法进行规定，而是给出一个总的裁减标准，把不同的环境条件都放进了附录。
具体表现就是不再提供具体的试验条件和试验项目顺序，而是提供一个如何进行试验的技术指导同时利用附录提供了一些基本数据和参考方法，与150标准相比，150A不能直接引用，试验的开展具有更大的灵活性，因而对相关人员提出了更高的要求。
关于GJB 150A 的总体改动在此不作详述，想深入了解的可以参考祝耀昌等人的文章[1]。
在此，主要对GJB150.16A（振动试验）的改进进行说明，由于标准中振动试验部分本身内容过多，在此仅对GJB150.16A中改动较大的两个地方进行说明。
三、振动试验控制振动试验一般是指在实验室条件下产生一个可以人为控制的振动环境以模拟被试产品在实际使用过程中所经历的振动环境。
大型机械结构模态分析与优化设计
大型机械结构模态分析与优化设计随着科技的不断发展，大型机械的设计和制造越来越重要。
在这个领域，模态分析和优化设计是不可或缺的工具。
模态分析是一种分析结构的固有振动方式和频率的方法，可以帮助设计师预测和避免问题。
优化设计则是通过对结构参数进行优化，以使其满足给定的性能要求，同时减少材料消耗，提高生产效率。
大型机械结构的模态分析通常涉及有限元法、模态超载法等方法。
这些方法可以通过计算机模拟出结构的固有振动模态和频率。
根据模态分析结果，设计师可以确定结构存在的问题，例如地震或风荷载下的结构动态响应。
通过改变结构参数来优化模态分析结果，设计师可以避免这些问题的出现。
模态分析结果还可以用于确定结构的最小自由振动频率，以此为基础设计结构的防振系统。
除了模态分析，还需要对大型机械的优化设计。
优化设计根据给定的性能要求，确定结构的最优参数。
这些要求包括静态刚度、动态响应、材料消耗、生产工艺等。
优化设计可以通过有限元分析、参数化建模、统计分析等方法来实现。
这种优化方法不仅可以节省材料，减少生产成本，同时也可以提高结构的可靠性和安全性。
在大型机械结构设计中，模态分析和优化设计是相辅相成的。
模态分析可以帮助设计师预测结构的问题，而优化设计可以根据这些结果来改进结构。
这两者都需要结构力学知识的支持，特别是有限元法和优化算法。
为了更好地应用这些方法，需要对结构力学有深入的理解和掌握现代计算机模拟技术。
在大型机械的设计中，无论是模态分析还是优化设计，都需要有足够的时间和资源的支持。
要获得高质量且可靠的模拟结果，需要同时考虑结构的实际情况和模拟的精度。
例如，模拟时需要考虑结构的材料性质、几何形状、加载条件、边界条件等。
此外，为了确保仿真结果的可靠性，需要进行多次模拟和验证。
总之，大型机械结构的模态分析和优化设计是现代工程领域的重要组成部分。
这些方法可以帮助设计师预测结构的行为和性能，并改进其设计。
通过协同工作，设计师、结构工程师和计算力学专家可以开发出更优秀、更可靠的大型机械结构，从而推动现代工程技术的不断发展。
模态参数辨识改进算法及其在振动台试验中的应用
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大型振动台夹具的模态分析及结构改进
第31卷第5期苏州大学学报（工科版）Vol.31No．5 2011年10月JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY（ENGINEERING SCIENCE EDITION）Oct．2011文章编号：1673－047X（2011）－05－0056－04大型振动台夹具的模态分析及结构改进孙晓洁1，陈俊2，王安柱1，朱忠奎1（1．苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215021；2．东菱振动试验仪器有限公司，江苏苏州215011）摘要：振动台夹具是振动台上用以固定被试件的关键结构件，首先应满足被试件的安装要求，其次为了能在试验频率范围内对被试件开展振动试验，其结构模态应有尽量高的固有频率，并避免与试件发生共振耦合。
在设计夹具的基础上，分析其前十阶的固有模态，并根据其固有频率的高低改进了结构，使得模态符合试验要求。
关键词：振动台；夹具；模态；固有频率中图分类号：TH16；U467文献标识码：A0引言对于大型振动台夹具，首先要确定出对夹具的固有频率和振型的要求，夹具设计完成后应对固有频率进行校验，根据验算结果对夹具进行改进设计并最终使夹具满足设计要求［1］。
在振动环境中，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合［2］。
本文据此进行了大型振动台夹具的结构改进。
据上所述，设计夹具时需计算结构的固有频率。
建立结构的力学模型时可将产品合理简化为杆、梁、板、壳等构件的组合，理论上应将这些构件作为多自由度系统进行动力学分析，它们各自有其固有频率，夹具整体的固有频率与各组成构件的固有频率有一定的数学关系，准确的数值可通过理论计算和试验验证的方法获得［3］。
对于大型复杂夹具，理论计算过于繁琐，直接对样品进行振动试验验证增大了设计成本。
现在，工程上广泛应用有限元分析软件对构件进行动力学分析，这是精确、实用的技术分析方法之一。
本文采用ANSYS有限元软件对振动台夹具进行模态分析以解得振动台夹具的固有频率，分析其合理性并进行结构改进。
振动试验夹具的优化设计及模态试验
发 生共 振 耦合 ｌ ］ 】 。考虑 这 些特 点 ， 理 设计 夹具 的 。 合
１ 数 学模 型
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机械系统模态振动分析与改进
机械系统模态振动分析与改进引言机械系统的运行稳定性和性能优化对于各个行业的发展至关重要。
在设计和制造机械系统时，我们需要考虑它们的模态振动。
本文将讨论机械系统模态振动的分析方法以及如何通过改进来提高系统的振动特性。
一、模态振动的概念与意义模态振动是指机械系统在受到外力激励后，以一定的频率和振幅自由振动的现象。
通常情况下，机械系统的模态主要由系统的质量、刚度和阻尼决定。
了解机械系统的模态振动能够帮助我们预测系统的振动特性，并在设计和制造阶段进行改进，从而提高系统的性能。
二、模态振动分析方法1. 经典分析方法经典分析方法是通过对机械系统的运动方程进行求解，得到系统的模态特征值和振型。
其中，特征值表示系统的模态频率，而振型则描述了系统在不同模态下的振动形态。
这种方法通常适用于简单的机械系统，如单自由度系统。
然而，对于复杂的多自由度系统，经典分析方法的求解过程会变得非常复杂。
2. 有限元分析方法有限元分析方法是一种常用的模态振动分析方法。
它将机械系统离散化为有限个小单元，在每个小单元上建立运动学和力学方程，再通过求解整个系统的特征值和振型来得到系统的模态特性。
这种方法可以应用于复杂的多自由度系统，并且与实际情况较好地吻合。
3. 实验测量方法实验测量方法是通过对机械系统进行实际测试，获取系统的模态特征值和振型。
常用的实验测量方法包括模态分析法、频响函数法和阻尼测试法等。
实验测量方法通常能够提供更加准确的结果，但需要进行相应的测试和数据处理，成本较高。
三、改进机械系统的振动特性1. 调整系统结构要改进机械系统的振动特性，我们可以从调整系统的结构入手。
可以通过增大系统的刚度来提高系统的自然频率，减小系统的质量来减小振动响应。
此外，还可以采用减振措施，如增加阻尼材料来减小振动幅值。
通过结构调整，可以有效地改善机械系统的振动性能。
2. 优化系统参数优化系统参数也是改进机械系统振动特性的一种方法。
通过对系统的质量、刚度和阻尼进行优化设计，可以使系统的模态频率和振动幅值达到最佳状态。
某振动夹具的设计及改进
某振动夹具的设计及改进作者：单林庆范柱子蒋庆华来源：《科技资讯》 2011年第23期单林庆范柱子蒋庆华(中国空空导弹研究院河南洛阳 471009)摘要:首先介绍了产品试验的原理和要求,并论述了一般夹具的设计要点,根据产品的信息和设计要求完成了振动夹具的设计,通过完善夹具的刚度达到满足产品试验要求,该设计要点和改进方法对一般振动夹具的设计有一定指导意义。
关键词:振动夹具随机振动固有频率中图分类号:TG7 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)08(b)-0085-02某产品出厂验收时,要做振动试验来考核是否满足环境要求,产品的夹持以及与振动设备的连接需要合适的振动夹具。
一个好的夹具既保证产品的安全,又可与振动设备可靠连接,保证振动有效的传递到产品。
因此,振动夹具设计的好坏就成为振动试验能否顺利进行的关键,本文介绍了一般振动夹具的设计要点和一个典型的夹具设计改进实例。
1 试验的原理和要求1.1 试验的原理产品的振动试验过程如图1所示,产品通过振动夹具装夹到振动台面上,两组传感器分别粘接到产品和台面上,两组传感器分别通过信号放大器传至振动台控制设备,最后通过振动台控制设备对台面进行控制,从而完成振动试验。
1.2 试验要求产品所做的振动为随机振动,振动的功率谱形如图2所示,GL=0.02g2/Hz,GP=0.06g2/Hz,Grms=10g。
产品需要做三个方向(X、Y、Z)的振动,每个方向持续3分钟。
1.3 产品的信息产品的外形为圆柱形,最大轮廓尺寸约为Φ250mm×450mm,质量约为20kg,重心据产品前部约300mm处,如图3所示为产品的三维模型示意图,产品可夹持外壳或者通过后部的法兰固定。
产品的三个方向的固有频率约在110Hz左右。
2 夹具的设计夹具的设计通常要考虑产品的信息(尺寸、质量、重心、试验方向的固有频率等),产品和夹具的合成重心应该和振动台面的几何重心重合,夹具和产品的连接尽量与产品的实际连接方式近似,产品安装螺钉数量、尺寸、位置、减振器等与实际工作状态相同。
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第31卷第5期苏州大学学报（工科版）Vol.31No．5 2011年10月JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY（ENGINEERING SCIENCE EDITION）Oct．2011文章编号：1673－047X（2011）－05－0056－04
大型振动台夹具的模态分析及结构改进
孙晓洁1，陈俊2，王安柱1，朱忠奎1
（1．苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215021；2．东菱振动试验仪器有限公司，江苏苏州215011）
摘要：振动台夹具是振动台上用以固定被试件的关键结构件，首先应满足被试件的安装要求，其次为了能在试验频率范围内对被试件开展振动试验，其结构模态应有尽量高的固有频率，并避免与试件发生共振耦合。
在设计夹具的基础上，分析其前十阶的固有模态，并根据其固有频率的高低改进了结构，使得模态符合试验要求。
关键词：振动台；夹具；模态；固有频率
中图分类号：TH16；U467文献标识码：A
0引言
对于大型振动台夹具，首先要确定出对夹具的固有频率和振型的要求，夹具设计完成后应对固有频率进行校验，根据验算结果对夹具进行改进设计并最终使夹具满足设计要求［1］。
在振动环境中，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合［2］。
本文据此进行了大型振动台夹具的结构改进。
据上所述，设计夹具时需计算结构的固有频率。
建立结构的力学模型时可将产品合理简化为杆、梁、板、壳等构件的组合，理论上应将这些构件作为多自由度系统进行动力学分析，它们各自有其固有频率，夹具整体的固有频率与各组成构件的固有频率有一定的数学关系，准确的数值可通过理论计算和试验验证的方法获得［3］。
对于大型复杂夹具，理论计算过于繁琐，直接对样品进行振动试验验证增大了设计成本。
现在，工程上广泛应用有限元分析软件对构件进行动力学分析，这是精确、实用的技术分析方法之一。
本文采用ANSYS有限元软件对振动台夹具进行模态分析以解得振动台夹具的固有频率，分析其合理性并进行结构改进。
1大型振动台夹具的模态分析
1．1振动台夹具
振动台夹具的作用主要包括：①按照试验要求，可靠地装夹试件；②实现在振动台面上的安装；③将振动台的运动和能量不失真地传递到试件上，避免出现共振和隔振现象。
在设计振动夹具时应选用刚度大、阻尼大的材料；还应在要求的重量范围内尽量减轻结构质量以降低轴向共振频率；并且使夹具的重心、试件的重心、激振力的中心这三个点在一条直线上，以避免引起振动台面的不平衡。
最终使结构的基频达到设计要求［3－4］。
1．2初始结构的模态分析
根据振动台夹具的设计要求确定设计结构后，利用ANSYS软件进行模态分析，计算出结构的固有频率和相应振型。
收稿日期：2011－03－14
作者简介：孙晓洁（1989－），女，硕士研究生，主要研究方向为车辆工程。
第5期孙晓洁，陈俊，王安柱，等：大型振动台夹具的模态分析及结构改进57
该振动台结构夹具初始设计的模型见图1，材料选用Q235钢，弹性模量E=212GPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．86ˑ10kg/m3。
图1初始设计结构模型图
利用ANSYS对夹具模型划分网格，网格单元采用四面体十节点单元，输出节点数为29378，单元数为13931，施加约束为底座固定，进行0 500Hz的模态分析，提取夹具前十阶的固有频率为45．775、65．725、85．876、121．41、178．48、178．93、238．18、271．51、278．30、312．43（单位Hz）。
第一阶的变形图、应力图、应变图如图2所示。
图2振动台夹具第一阶的变形图、应力图、应变图
振动方向为前后方向，与实验时加载的唯一方向无关。
第一阶固有频率仅为45．775Hz，频率低，不满足工作要求，需要提高结构的第一阶固有频率。
58苏州大学学报（工科版）第31卷2夹具结构改进设计
2．1结构改进
初始设计夹具的一阶固有频率低，根据夹具的基频需达到试件基频的3倍的要求，需要提高结构的固有频率。
根据以往工作者的经验，可以通过改变筋板和筋条来提高结构的固有频率，改进结构如图3所示。
图3加筋板的结构图
利用ANSYS对改进后夹具进行同样条件下的模态分析，求得前十阶的固有频率为52．936、76．392、110．34、139．82、171．28、210．79、240．75、275．54、296．44、331．05（单位Hz）。
第一阶的变形图、应力图、应变图如图4所示。
图4改进后的振动台夹具第一阶变形图、应力图、应变图
从振型图中可以看出，改进后的夹具变形方向基本一致，变形程度也接近。
通过筋板和筋条的改进设计，结构的低阶固有频率略有提高，第一阶频率为52．936Hz，效果不大，仍需进行结构上的改进以提高结构的基频。
第5期孙晓洁，陈俊，王安柱，等：大型振动台夹具的模态分析及结构改进59
2．2减轻质量
根据夹具质量对共振频率的影响，要提高结构的固有频率，可以减轻结构的质量［5］。
从生产工艺方面考虑，该振动台夹具采用焊接技术，制造方便，成本低。
初始设计中上框架结构都是实心的，在实际工作中空心的结构就能满足工作要求。
因此可将上框架结构设计成空心的结构。
目前的焊接技术已经达到很高的水平，焊接均匀且很牢固。
夹具结构如图5所示。
图5空心夹具结构图
相同条件下，减轻质量后的结构的前十阶频率为73．43、109．54、189．31、195．37、237．65、238．78、310．16、342．19、370．57、376．41（单位Hz），相应振型的变形方向和变形程度与上述两种设计相似。
结构的低阶频率得到很大提高。
在实际运用过程中为了进一步降低谐振现象，可往钢管内填充泡沫等材料以增加阻尼。
3结束语
根据振动试验的要求设计了振动台夹具，并进行了模态分析；根据模态分析的结果通过增加筋板和减轻质量改进了设计，继续进行模态分析，改善了结构的动态性能。
参考文献
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The Modal Analysis and Structure-Improving of Vibration Test Fixture
Sun Xiaojie1，Chen Jun2，Wang Anzhu1，Zhu Zhongkui1
（1．School of Urban Rail Transportation，Soochow University，Suzhou215021；2．Suzhou Dongling Vibration Test Instrument Co．，LTD，Suzhou215011）
Abstract：Vibration fixture is used to fix the specimens on vibration bench．The vibration fixture should meet the in-stallation requirements of specimen；moreover，its natural frequency should be as high as possible and its structure should avoid resonance coupling with the specimens in order to conduct vibration test on specimens within the test frequency range．In this paper，based on the structure design of the fixture，the top ten bands of natural mode are analyzed，and according to the level of the natural frequency，the natural frequency of the bench is improved by opti-mizing the structural，so as to meet the test requirements for the bench．
Key Words：vibration；fixture；modal analysis；natural frequency。