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环境振动试验夹具动态分析、结构优化设计及其软件实现

作　者: 陈剑
导　师: 郭勤涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 结构优化设计振动试验夹具随机振动有限元分析误差分析
分类号: TG751
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

飞机、导弹等飞行器在其使用过程中会遇到振动、线加速度、温度、噪声等恶劣的环境。为保证使用可靠性需要通过大量地面环境试验来研究其环境适应能力。振动试验夹具是连接振动台和试件的过渡装置,起着固定试件和传递力的作用。理想的夹具是在试验条件下不出现共振影响,并且具有足够的刚度将振动台的能量传递给试件。夹具的动态特性直接影响环境实验结果是否合理,动态特性差的夹具会出现环境实验有时对试验件的考核处于欠考核状态,达不到环境振动试验考核的真正目的,不利于真实暴露产品的设计和制造缺陷;有时对试验件的考核处于过考核状态,将有可能造成本来合格的产品而无法通过振动环境试验,这将给产品的研制进程造成极大的障碍。如果振动台与试件或动圈发生共振都会影响试验完成或导致试验失败。传统设计设计过程周期长、费用高、效率低,并且得到的仅仅是可行的设计方案而并非是最优的设计方案。因此,试验夹具的动态优化设计显得尤为重要。目前结构动力优化问题的研究已有大量成果,多数是使用模态频率和振型等模态参数进行优化,本文夹具的动态特性优化是一种随机振动载荷下的结构动力优化问题。因此,本文将功能强大的工程计算软件MATLAB与有限元分析软件MSC.Patran与MSC.Nastran结合,实现了MATLAB与有限元软件的连接,从而为解决结构动力优化软件通用性问题提供了一种新思路。在软件实现的基础上,本文又以环境振动试验夹具为研究对象,以夹具的几何参数和结构参数为设计变量,以夹具的总重量最轻、关键点的振动加速度均方根最小为优化目标,以结构的某一阶频率为约束条件,利用该集成软件对夹具进行了动力优化。为验证优化结果的正确性,加工制作了夹具模型,并对优化前后的夹具进行了环境振动试验。使用模型确认的方法对仿真结果与试验结果存在的误差做了误差分析。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-17
第一章绪论  17-23
  1.1 课题研究的背景  17-20
    1.1.1 结构动力优化设计的发展现状  17-18
    1.1.2 结构动力优化设计的分类  18-20
  1.2 环境振动试验夹具介绍  20-21
    1.2.1 什么是环境振动试验夹具  20
    1.2.2 环境振动试验夹具的作用  20-21
  1.3 本文的主要内容和目标  21-23
    1.3.1 本文研究的目标  21
    1.3.2 本文研究的内容  21
    1.3.3 本文解决的关键问题  21-23
第二章有限元模型修正的实现及结构优化理论概述  23-35
  2.1 有限元模型修正思想产生的背景  23-24
  2.2 有限元模型修正技术的基本原理和基本方法  24-26
    2.2.1 有限元模型修正技术的基本原理  24-25
    2.2.2 有限元模型修正技术的基本方法  25-26
  2.3 模型修正仿真算例  26-27
  2.4 优化理论概述  27-30
    2.4.1 最优化理论发展概述  27-28
    2.4.2 最优化问题的基本模型  28
    2.4.3 几个典型的优化问题  28-30
  2.5 优化算法介绍及实现  30-33
    2.5.1 拟牛顿法及其实现  30-31
    2.5.2 最小二乘优化法及其实现  31-32
    2.5.3 SQP 方法实现  32-33
  2.6 优化算例  33-34
  2.7 本章小结  34-35
第三章环境振动试验夹具参数化建模  35-50
  3.1 引言  35
    3.1.1 参数化建模  35
    3.1.2 参数化建模的意义  35
  3.2 MSC.PATRAN 软件以及 PCL 语言介绍  35-40
    3.2.1 MSC.PATRAN 软件及其主要特点  35-38
    3.2.2 PCL 语言介绍  38-39
    3.2.3 PCL 函数的调用  39-40
  3.3 PCL 语言介绍参数化建模的主要步骤  40-41
  3.4 参数化建模例子  41-44
  3.5 环境振动试验夹具参数化建模  44-49
    3.5.1 引言  44
    3.5.2 环境振动试验夹具参数化建模步骤  44-49
  3.6 本章小结  49-50
第四章环境振动试验夹具的优化及其软件实现  50-72
  4.1 引言  50
  4.2 N-OPTIMIZATION 开发环境  50-54
    4.2.1 MSC.Nastran 软件介绍  50-51
      4.2.1.1 MSC.Nastran 的设计灵敏度分析及优化设计功能  51
    4.2.2 MatLab 软件介绍及优化软件界面开发  51-54
  4.3 N-OPTIMIZATION 软件的总体介绍  54-57
    4.3.1 N-optimization 的设计思路  54
    4.3.2 N-optimization 的功能  54-55
    4.3.3 N-optimization 优化功能实现  55-56
    4.3.4 N-optimization 的软件的界面介绍  56-57
  4.4 N-OPTIMIZATION 软件的模块化及其功能  57-59
    4.4.1 N-optimization 与 Nastran 的接口模块  57-58
    4.4.2 N-optimization 灵敏度分析设计模块  58-59
    4.4.3 N-optimization 优化分析模块  59
    4.4.4 N-optimization 结果输出模块  59
  4.5 环境振动试验夹具优化  59-70
    4.5.1 初始环境振动试验夹具有限元模型及其随机响应的求解  59-61
    4.5.2 环境振动试验夹具的优化步骤  61-63
    4.5.3 环境振动试验夹具的优化仿真算例  63-66
    4.5.4 环境振动试验夹具的真实优化  66-70
  4.6 本章小结  70-72
第五章实验结果分析和模型确认  72-88
  5.1 引言  72
  5.2 环境振动试验夹具的模态实验  72-77
    5.2.1 环境振动试验夹具的实际模型  72-73
    5.2.2 模态实验的介绍  73-74
    5.2.3 初始夹具模型的模态试验及参数识别  74-76
    5.2.4 目标夹具模型的模态试验及参数识别  76-77
  5.3 夹具的环境振动试验  77-79
    5.3.1 环境振动试验的介绍  77-78
    5.3.2 夹具模型的环境振动试验  78-79
  5.4 夹具模型实验结果与有限元结果比较  79-83
    5.4.1 初始夹具模型的结果比较  79-81
    5.4.2 目标夹具模型的结果比较  81-83
  5.5 夹具模型优化前后结果比较和误差分析  83-86
    5.5.1 夹具模型优化前后各点响应值以及偏差  83
    5.5.2 仿真结果与实验结果误差分析  83-86
  5.6 本章小结  86-88
第六章结论和展望  88-89
  6.1 结论  88
  6.2 展望  88-89
参考文献  89-92
致谢  92-93
在学期间的研究成果及发表的学术论文  93-94
附录环境振动试验夹具参数化建模 PCL 函数  94-103

环境振动试验夹具动态分析、结构优化设计及其软件实现

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