大型电动振动台动力学分析与数值模拟研究

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随着航空、航天、电子业的快速发展,各种用于测试航天器部件等仪器设备的振动试验装置也日益发展起来。振动台试验作为模拟振动环境、检验设备可靠性及动强度的一种有效手段,己经被广泛应用于设备的性能考核和动强度鉴定中。在各类振动台中,电动振动台以其工作频段宽、承载范围广、波形好、易控制等诸多优点而倍受青睐,成为应用广泛的一种振动台。本课题主要研究了电动振动台的理论简化数学模型,通过数值模拟的方法,应用有限元软件ANSYS,对电动振动台核心驱动系统动圈进行模态与谐响应分析,并与实验进行了对比。对振动台磁路系统进行了数值模拟研究,得到了磁感应强度的分布规律,讨论结构参数对气隙磁场的分布影响。提出结构与磁场耦合数值模拟新方法,得到了动圈所受电磁力作用下台面响应的规律。基本研究内容与主要成果包括以下几个方面:(1)建立了电动振动台的振动系统动力学方程、电路系统方程及控制系统方程。理论上得到了动圈四自由度简化模型的各阶固有频率。建立阻抗特性表达式,式中包含电路阻抗和运动阻抗。通过电路等效类比方法,建立了电动振动台控制方程,进一步针对中频域对模型简化,得到了系统传递函数随频率的变化规律。(2)对20吨电动振动台建立了有限元模型,进行模态分析、谐响应分析及台面不均匀度与横向振动比随频率变化规律的数值模拟分析,从模态及谐响应分析结果可以得到,应用ANSYS参数化编程的有限元模型较准确的反映了动圈模态及振动响应。仿真结果与实验数据对比轴向共振频率误差2.9%,质量误差为11.18%。描述了动圈在振动过程中台面不均匀度及横向振动比在不同频率段间断增加的变化趋势并且得到了数值较大点对应的频率值。(3)以20吨电动振动台结构尺寸为模型,ANSYS参数化编程建立了电动振动台磁路系统。数值模拟了工作气隙磁场强度最大值,气隙磁场分布情况。讨论了磁路结构尺寸对气隙磁场的影响。(4)以20吨电动振动台为模型,应用有限元软件ANSYS对电动振动台磁场与动圈结构进行了耦合场分析。提出了电动振动台耦合场数值模拟新方法,参数化编程建立振动台磁-结构耦合模型,采用矢量与标量混合建模顺序耦合方法数值模拟了动圈在磁场中所受到的电磁力,并以此作为加载力,进行动圈的结构分析,经过瞬态分析得到台面响应变化规律。
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