CN109406080B - 夹具及其有限元仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹具及其有限元仿真测试方法，在容置腔内侧壁上沿着夹具本体的高度方向设有两个以上的固定座组，如此，使得夹具能够同时安装两个以上的样品，从而使得两个以上的产品同时测试，极大提高了振动试验效率。同时，夹具本体的侧面上设有进出口，由此可知，在安装样品过程中，操作人员能够从夹具本体的侧面将样品依次安装在容置腔内，极大提高了样品的安装效率。此外，当试验过程中，某样品出现故障或者需要更换新样品时，只需打开夹具门，将故障样品或者需更换的样品从进出口直接取出即可，如此，极大方便了样品的更换，从而有利于提高样品振动试验效率。

Description

夹具及其有限元仿真测试方法

技术领域

本发明涉及夹具设计技术领域，特别是涉及一种夹具及其有限元仿真测试方法。

背景技术

振动试验过程中，一般需要借助于工装夹具将样品固定在振动台面上，以通过振动试验系统施加规定的振动激励。夹具设计合理性将严重影响样品所受到的振动激励。对于大型的吊顶式安装样品必须需要借助工装夹具才能模拟实际情况安装在振动台上以施加振动激励，但由于大型吊顶式安装样品的安装特点，因此，当样品数量超过2套以上时，传统的夹具需要样品从夹具顶部依次安装进行安装，这样，不仅导致安装操作变得困难，而且也导致试验时间和试验成本的成倍增加，从而导致试验效率低下。此外，当试验过程中若某样品出现故障时，传统夹具需要将上面的样品全部拆卸后，才能对故障样品更换，如此，严重降低了试验效率。

发明内容

基于此，有必要提供一种夹具及其有限元仿真测试方法，它便于样品快速拆装，有利于提高试验效率。

其技术方案如下：

一种夹具，包括：夹具本体，所述夹具本体上设有容置腔，所述夹具本体的侧面上设有与所述容置腔连通设置的进出口，所述容置腔内侧壁上沿着所述夹具本体的高度方向间隔设有两个以上的固定座组，所述固定座组用于固定样品；与夹具门，所述夹具门可打开地装设在所述夹具本体上，并位于所述进出口处。

上述的夹具，在容置腔内侧壁上沿着夹具本体的高度方向设有两个以上的固定座组，如此，使得夹具能够同时安装两个以上的样品，从而使得两个以上的产品同时测试，极大提高了振动试验效率。同时，夹具本体的侧面上设有进出口，由此可知，在安装样品过程中，操作人员能够从夹具本体的侧面将样品依次安装在容置腔内，极大提高了样品的安装效率。此外，当试验过程中，某样品出现故障或者需要更换新样品时，只需打开夹具门，将故障样品或者需更换的样品从进出口直接取出即可，如此，极大方便了样品的更换，从而有利于提高样品振动试验效率。

在其中一个实施例中，所述固定座组包括第一固定座与第二固定座，所述第一固定座与所述第二固定座分别安装在所述容置腔上靠近所述进出口的两侧壁上。

在其中一个实施例中，所述第一固定座与所述第二固定座均为多个，多个所述第一固定座沿着所述夹具本体的宽度方向间隔设置，多个所述第二固定座沿着所述夹具本体的宽度方向间隔设置。

在其中一个实施例中，所述第一固定座与所述第二固定座均包括安装件与间隔装设在所述安装件上的第一连接件，所述第一连接件安装在所述容置腔内侧壁上，所述安装件上设有第一安装孔，所述第一安装孔用于与所述样品上的安装孔对应设置。

在其中一个实施例中，所述夹具本体顶部设有安装框，所述安装框用于安装样品。

在其中一个实施例中，所述安装框包括第一侧框、第二侧框、第一连接结构及第二连接结构，所述第一连接结构与所述第二连接结构间隔连接在所述第一侧框与所述第二侧框之间，所述第一侧框与所述第二侧框分别间隔装设在所述夹具本体顶部上，所述第一侧框与所述第二侧框上均设有第二安装孔，所述第二安装孔用于与所述样品上的安装孔对应设置。

在其中一个实施例中，所述第一连接结构与所述第二连接结构均包括第二连接件及装设在所述第二连接件上的第一支撑件与第二支撑件，所述第一侧框与所述第二侧框之间连有所述第二连接件，所述第一支撑件与所述第一侧框连接，所述第二支撑件与所述第二侧框连接，所述第一支撑件与所述第二支撑件之间连有第三连接件；所述第三连接件设有第三安装孔，所述第三安装孔用于与所述样品上的安装孔对应设置。

在其中一个实施例中，所述夹具本体包括前框、后框、顶框、底框、第三侧框及第四侧框，所述前框、所述后框、所述底框、所述第三侧框及所述第四侧框围成所述容置腔，所述进出口设置在所述前框上。

在其中一个实施例中，所述夹具门包括第三支撑件及分别装设在所述第三支撑件两侧的第三连接结构与第四连接结构，所述第三支撑件、所述第三连接结构及所述第四连接结构分别可拆卸装设在所述夹具本体位于所述进出口处。

一种如以上所述的夹具的有限元仿真测试方法，包括如下步骤：对所述夹具进行建模，并将所述夹具的模型导入分析项目中；设置所述夹具的材料属性；划分所述夹具的模型网格，并施加模态分析边界条件，得出模态分析结果；当所述模态分析结果导入谐响应分析模块中，添加约束和载荷，并设置最大频率点，通过谐响应分析，得出所述夹具的扫频振动分析结果；当将所述模态分析结果导入随机振动分析模块中，添加加速度谱和边界条件，通过振动分析，得出随机振动分析结果。

上述的夹具的有限元仿真测试方法，在夹具加工之前，将夹具的模型事先导入至分析项目中，通过一系列模拟仿真操作，得到夹具的扫频振动分析结果与随机振动分析结果，通过这两个分析结果，能够快速且准确判断出夹具结构的振动响应特性，极大提高了夹具设计和制作效率。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的夹具结构一视角示意图；

图2为本发明一实施例所述的夹具结构爆炸示意图；

图3为本发明一实施例所述的夹具结构另一视角示意图；

图4为图3中的夹具沿A-A方向剖视图；

图5为图3中的夹具沿B-B方向剖视图；

图6为本发明一实施例所述的扫频振动加载标准曲线图；

图7为本发明一实施例所述的扫频振动结果曲线图；

图8为本发明一实施例所述的随机振动加载标准曲线图；

图9为本发明一实施例所述的随机振动结果曲线图；

图10为本发明一实施例所述的正弦扫频振动测试结果曲线图。

附图标记说明：

100、夹具本体，110、前框，111、进出口，120、后框，130、底框，140、顶框，150、第三侧框，151、第五连接件，152、第六连接件，153、第五支撑件，154、第六支撑件，155、第一加固件，156、第二加固件，157、加强筋，160、第四侧框，170、容置腔，180、固定座组，181、第一固定座，1811、安装件，1812、第一连接件，1813、第一安装孔，182、第二固定座，200、夹具门，210、第三支撑件，220、第三连接结构，221、第七连接件，222、第八连接件，230、第四连接结构，300、安装框，310、第一侧框，320、第二侧框，321、第四支撑件，322、第四连接件，323、第二安装孔，330、第一连接结构，331、第二连接件，332、第一支撑件，333、第二支撑件，334、第三连接件，335、第三安装孔，340、第二连接结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

在一个实施例中，请参考图1、图2、图4及图5，一种夹具，包括：夹具本体100与夹具门200。夹具本体100上设有容置腔170，夹具本体100的侧面上设有与容置腔170连通设置的进出口111。容置腔170内侧壁上沿着夹具本体100的高度方向间隔设有两个以上的固定座组180。固定座组180用于固定样品。夹具门200可打开地装设在夹具本体100上，并位于进出口111处。

上述的夹具，在容置腔170内侧壁上沿着夹具本体100的高度方向设有两个以上的固定座组180，如此，使得夹具能够同时安装两个以上的样品，从而使得两个以上的产品同时测试，极大提高了振动试验效率。同时，夹具本体100的侧面上设有进出口111，由此可知，在安装样品过程中，操作人员能够从夹具本体100的侧面将样品依次安装在容置腔170内，极大提高了样品的安装效率。此外，当试验过程中，某样品出现故障或者需要更换新样品时，只需打开夹具门200，将故障样品或者需更换的样品从进出口111直接取出即可，如此，极大方便了样品的更换，从而有利于提高样品振动试验效率。其中，为了便于理解夹具本体100的高度方向，以图4为例，夹具本体100的高度方向为图4中S₁表示的方向。

可选地，夹具本体100的侧面上设有两个以上的进出口111，如此，在样品安装过程中，操作人员能够从不同的进出口111将样品安装在容置腔170不同位置上，极大方便了样品的安装。同时，操作人员能够通过不同的进出口111将样品取出，如此，方便了样品的更换操作。

进一步地，请参考图4和图5，固定座组180包括第一固定座181与第二固定座182。第一固定座181与第二固定座182分别安装在容置腔170上靠近进出口111的两侧壁上。由于第一固定座181与第二固定座182分别位于容置腔170的相对两侧壁上，因此，样品上的安装位分别位于样品的两侧。如此，通过第一固定座181与第二固定座182分别固定在样品的相对两侧上，使得样品稳定安装在夹具本体100内，从而有利于保证样品振动响应试验结果的可靠性。

更进一步地，第一固定座181与第二固定座182均为多个。多个第一固定座181沿着夹具本体100的宽度方向间隔设置。多个第二固定座182沿着夹具本体100的宽度方向间隔设置。由此可知，将多个第一固定座181与多个第二固定座182同时固定在样品上，这样，使得样品更加稳定安装在夹具本体100内，从而使得样品振动响应试验结果更加可靠。同时，由于多个第一固定座181与多个第二固定座182均沿着夹具本体100的宽度方向间隔设置，因此，通过组合不同的第一固定座181与第二固定座182，使得夹具本体100内能够安装不同尺寸的样品，如此，扩大了夹具本体100的适用范围。其中，为了便于理解夹具本体100的宽度方向，以图4为例，夹具本体100的宽度为图4中S₂表示的方向。

在一个实施例中，第一固定座181与第二固定座182均包括安装件1811与间隔装设在安装件1811上的第一连接件1812。第一连接件1812安装在容置腔170内侧壁上。安装件1811上设有第一安装孔1813，第一安装孔1813用于与样品上的安装孔对应设置。由此可知，本实施例通过第一连接件1812将安装件1811稳定装设在容置腔170的内侧壁上，再通过安装件1811上的第一安装孔1813使得样品稳定安装，如此，便实现样品的固定安装。具体在本实施例中，第一连接件1812为两个，两个第一连接件1812间隔装设在安装件1811上，如此，通过两个第一连接件1812，加固了安装件1811的结构强度，从而有利于样品更加稳定安装在安装件1811上。

在一个实施例中，夹具本体100顶部设有安装框300，安装框300用于安装样品。本实施例的夹具本体100不仅能够在容置腔170内固定多个样品，而且还能够在顶部固定样品，如此，极大提高了样品振动试验效率。

进一步地，安装框300包括第一侧框310、第二侧框320、第一连接结构330及第二连接结构340。第一连接结构330与第二连接结构340间隔连接在第一侧框310与第二侧框320之间。第一侧框310与第二侧框320分别间隔装设在夹具本体100顶部上，第一侧框310与第二侧框320上均设有第二安装孔323。第二安装孔323用于与样品上的安装孔对应设置。由此可知，通过第一连接结构330与第二连接结构340，使得第一侧框310与第二侧框320稳定连接。同时，通过第一连接结构330与第二连接结构340，也使得夹具本体100整体结构得到进一步的增强，从而有利于提高样品振动试验结果的可靠性。此外，由于第一侧框310与第二侧框320上设有第二安装孔323，因此，通过第二安装孔323，使得样品得到方便且稳定安装。

更进一步地，第一连接结构330与第二连接结构340均包括第二连接件331及装设在第二连接件331上的第一支撑件332与第二支撑件333。第一侧框310与第二侧框320之间连有第二连接件331。第一支撑件332与第一侧框310连接。第二支撑件333与第二侧框320连接。第一支撑件332与第二支撑件333之间连有第三连接件334。第三连接件334设有第三安装孔335。第三安装孔335用于与样品上的安装孔对应设置。如此，通过巧妙结构设计，使得安装框300的结构强度更强，使得样品能够更加稳定安装在安装框300中。具体在本实施例中，第一侧框310与第二侧框320均包括两个并列间隔设置的第四支撑件321及连接在两个第四支撑件321之间的第四连接件322，第四连接件322上设有第二安装孔323。同时，本实施例中的第一支撑件332、第二支撑件333、第四支撑件321、第二连接件331、第三连接件334及第四连接件322均采用方管，如此，不仅能够保证夹具具有较高的结构强度，而且还能够减轻夹具的整体重量，方便操作人员对夹具的使用。

在一个实施例中，请参考图1与图3，夹具本体100包括前框110、后框120、顶框140、底框130、第三侧框150及第四侧框160。前框110、后框120、底框130、第三侧框150及第四侧框160围成容置腔170。进出口111设置在前框110上。具体在本实施例中，第三侧框150与第四侧框160均包括连接在前框110与后框120之间的第五连接件151与第六连接件152，第五连接件151与第六连接件152之间间隔连接有第五支撑件153与第六支撑件154，同时，第五支撑件153与第六支撑件154设有交叉连接的第一加固件155与第二加固件156。如此，使得第三侧框150与第四侧框160的结构强度更强。本实施例中的第五连接件151、第六连接件152、第五支撑件153、第六支撑件154、第一加固件155及第二加固件156均为方管。此外，第三侧框150与第四侧框160上均设有多个加强筋157，以提高夹具本体100的结构强度。同时，本实施例的前框110、后框120、顶框140、底框130、第三侧框150及第四侧框160均为三角形结构，如此，使得夹具本体100分别在垂向、横向、纵向上的振动响应特性均能满足试验要求。

在一个实施例中，请参考图2，夹具门200包括第三支撑件210及分别装设在第三支撑件210两侧的第三连接结构220与第四连接结构230。第三支撑件210、第三连接结构220及第四连接结构230分别可拆卸装设在夹具本体100位于进出口111处。如此，通过该结构设计，使得夹具门200结构更加稳固。具体在本实施例中，第三连接结构220与第四连接结构230均包括相互交叉连接的第七连接件221与第八连接件222，如此，使得夹具门200呈多个相互连接的三角形结构，从而进一步提高了夹具门200的结构强度。同时，本实施例的夹具门200通过螺栓可拆卸安装在夹具本体100上。

在一个实施例中，一种如以上任意一个实施例中的夹具的有限元仿真测试方法，包括如下步骤：对夹具进行建模，并将夹具的模型导入分析项目中；设置夹具的材料属性；划分夹具的模型网格，并施加模态分析边界条件，得出模态分析结果；当模态分析结果导入谐响应分析模块中，添加约束和载荷，并设置最大频率点，通过谐响应分析，得出夹具的扫频振动分析结果；当将模态分析结果导入随机振动分析模块中，添加加速度谱和边界条件，通过振动分析，得出随机振动分析结果。

上述的夹具的有限元仿真测试方法，在夹具加工之前，将夹具的模型事先导入至分析项目中，通过一系列模拟仿真操作，得到夹具的扫频振动分析结果与随机振动分析结果，通过这两个分析结果，能够快速且准确判断出夹具结构的振动响应特性。通常可知，传统夹具设计方法通常先将夹具加工出，后进行振动测试，这样设计的夹具通常需要反复修改，甚至报废重新设计，如此，不仅导致夹具制作效率下降，而且还导致夹具的制作成本增加。本实施例在夹具加工之前，通过夹具的有限元仿真测试方法，对设计的夹具结构的振动响应特性快速且准确判断，极大提高了夹具的设计效率。同时，本方法是通过对模型分析，因此，无需对夹具反复修改加工，有利于提高夹具加工效率。

具体地，本实施例对夹具模型进行有限元离散处理，所得网格划分为220137个节点和88788个单元，本次模具所设置的材料特性见表1。首先将模态分析结果导入谐响应分析模块中，并加载标准曲线进行扫频振动试验。具体的扫频振动试验条件见表2，同时，加载标准曲线见图6。通过夹具的有限元仿真测试方法测试，夹具最终扫频振动结果曲线见图7。将结果响应曲线与加载标准曲线对比可知，夹具顶部监测点在各频率点的放大倍数很小，几乎没有放大，故判断该夹具符合正弦振动试验要求。然后，再将模态分析结果导入随机振动分析模块中，添加加速度谱和边界条件，通过振动分析，得出随机振动分析结果。具体的随机振动试验条件见表3，加载标准曲线与随机振动结果曲线分别见图8和图9。将结果曲线与加载标准曲线对比可知，夹具顶部监测点在各频率点的放大倍数很小，几乎没有放大，故判断该夹具符合随机振动试验要求。

表1 材料特性

材料名称	弹性模量	泊松比	材料密度
				型钢	210GPa	0.3	7850Kg/m<sup>3</sup>

表2 扫频振动试验条件

表3 随机振动试验条件

在一个实施例中，本实施例将通过夹具的有限元仿真测试方法加工的夹具进行正弦扫频振动测试，具体测试条件见表4。夹具在振动台上按以上试验条件进行测定，所得试验测定结果曲线见图10所示，由图可知，Ch1平均控制曲线控制在输入加速度(0.5g)的±10％范围内，即在0.45g～0.55g范围内，Ch3、Ch4和Ch5三条监测曲线均未超出输入加速度的2倍，即小于1g。因此，夹具实际施加振动应力的最大频率范围内无谐振，夹具的振动传递特性满足试验要求。

表4 正弦扫频振动测试条件

扫频频率范围	扫频加速度	扫频速率	扫频次数
				4Hz～200Hz	0.5g	1oct/min	1次

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种夹具，其特征在于，包括：

夹具本体，所述夹具本体上设有容置腔，所述夹具本体的侧面上设有与所述容置腔连通设置的进出口，所述容置腔内侧壁上沿着所述夹具本体的高度方向间隔设有两个以上的固定座组，所述固定座组用于固定样品，所述固定座组包括第一固定座与第二固定座，所述第一固定座与所述第二固定座分别安装在所述容置腔上靠近所述进出口的两侧壁上；与

夹具门，所述夹具门可打开地装设在所述夹具本体上，并位于所述进出口处。

2.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述第一固定座与所述第二固定座均为多个，多个所述第一固定座沿着所述夹具本体的宽度方向间隔设置，多个所述第二固定座沿着所述夹具本体的宽度方向间隔设置。

3.根据权利要求2所述的夹具，其特征在于，所述第一固定座与所述第二固定座均包括安装件与装设在所述安装件上的第一连接件，所述第一连接件还安装在所述容置腔内侧壁上。

4.根据权利要求3所述的夹具，其特征在于，所述安装件上设有第一安装孔，所述第一安装孔用于与所述样品上的安装孔对应设置。

5.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，所述夹具本体顶部设有安装框，所述安装框用于安装样品。

6.根据权利要求5所述的夹具，其特征在于，所述安装框包括第一侧框、第二侧框、第一连接结构及第二连接结构，所述第一连接结构与所述第二连接结构间隔连接在所述第一侧框与所述第二侧框之间，所述第一侧框与所述第二侧框分别间隔装设在所述夹具本体顶部上，所述第一侧框与所述第二侧框上均设有第二安装孔，所述第二安装孔用于与所述样品上的安装孔对应设置。

7.根据权利要求6所述的夹具，其特征在于，所述第一连接结构与所述第二连接结构均包括第二连接件及装设在所述第二连接件上的第一支撑件与第二支撑件，所述第一侧框与所述第二侧框之间连有所述第二连接件，所述第一支撑件与所述第一侧框连接，所述第二支撑件与所述第二侧框连接，所述第一支撑件与所述第二支撑件之间连有第三连接件；所述第三连接件设有第三安装孔，所述第三安装孔用于与所述样品上的安装孔对应设置。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的夹具，其特征在于，所述夹具本体包括前框、后框、顶框、底框、第三侧框及第四侧框，所述前框、所述后框、所述底框、所述第三侧框及所述第四侧框围成所述容置腔，所述进出口设置在所述前框上。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的夹具，其特征在于，所述夹具门包括第三支撑件及分别装设在所述第三支撑件两侧的第三连接结构与第四连接结构，所述第三支撑件、所述第三连接结构及所述第四连接结构分别可拆卸装设在所述夹具本体位于所述进出口处。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的夹具的有限元仿真测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

对所述夹具进行建模，并将所述夹具的模型导入分析项目中；

设置所述夹具的材料属性；

划分所述夹具的模型网格，并施加模态分析边界条件，得出模态分析结果；

当所述模态分析结果导入谐响应分析模块中，添加约束和载荷，并设置最大频率点，通过谐响应分析，得出所述夹具的扫频振动分析结果；

当将所述模态分析结果导入随机振动分析模块中，添加加速度谱和边界条件，通过振动分析，得出随机振动分析结果。

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