强度、疲劳、刚度、放大倍数、皇帝的新装

皇帝的新装，好像无处不在。尽量少写非技术问题，以免再次被扣上“心里阴暗，言论反动”的帽子。谨以此文纪念辛勤付出、期盼已久的“十全十美”。

1、强度、疲劳

2020年有幸受邀参加了北京丰台举办的“增材制造全球创新应用大赛”，百忙之中指导刚参加工作不到半年的新人参赛。经过几轮快速优化设计和静力分析，拿出了一个怎么看都不那么“十全十美”的设计方案，如下图。

虽然比赛题目要求疲劳考核，但我们航天总体人的强度分析水平较差，更别说疲劳分析。但是我们有丰富的刚度分析经验（很快就打脸，见后文）。于是，我制定的策略是仅进行静力分析，主结构进行等强度设计，连接区域加强。

随着优化结果逐渐成形，开始详细的参数化设计。参数化设计的好处如下图所示。上图中的模型在Pro/E中使用8个特征就完成了结构设计，再加上11个倒角特征，完成三维模型详细设计。

具体设计思想如下：

1）上侧3个耳片参考飞机结构耳片强度设计方法，考虑耳片拉断、剪断两种失效形式，根据耳片内径、载荷，计算耳片外径；

2）力的三角形原理，上侧三耳片中间加横撑连接，尽可能消除下侧连接区域因弯矩引起的应力集中；

3）上侧左右两耳片比中间耳片传力路径少，因此，左右两耳片向下传力结构较宽；

4）下侧连接区域内侧根部加厚，同时孔两侧加筋；

5）设计重量减半。

设计想简单，设计的作品也很简洁，就这样一个作品竟然以68.742分，高出第二名5.386分，夺得金奖。这绝对是意料之外，因为，飞机主机所、航发等老牌强度、疲劳分析强势单位更应取得好成绩。但遗憾的是，我们的对手可能是偏增材制造工艺，而非主力设计师或CAE工程师。

虽然拿了金奖，但我感觉我们就像“皇帝的新装”的主角。我们自知在疲劳分析方面是小白，得奖只是一时侥幸。

2 刚度、放大倍数

2021年看到科工二院二部“空天防御杯”的信息，我组了2队年轻人参赛，后来变成4队了，但绝不是为了灌水。

比赛题目要求进行500~2000Hz的随机振动试验，考核减震效果，但要求作品带4kg负载的情况下轴向频率大于200Hz。

航天人最擅长的就是刚度分析与设计。针对该题目，作品带负载基频尽可能靠近200Hz，但略大于200Hz，且在500~2000Hz内没有模态，这样即可在500~2000Hz内有效减振。

在设计、分析、制造时间非常紧的情况下，我们按时提交了4个作品，半成品如下图。因为8月7日一早要去西昌，所以8月6日晚上给儿子过完生日又赶回单位给下面半成品拍了张照片。

为了挤时间，我们将作品分成两部分：中间减振结构3D打印，上下法兰机加工后水切割，然后胶接。由于采用锥面设计，试验中即使脱胶，也不影响结构刚度和安全性。

为了了解我们作品的性能，在提交作品前进行了低量级扫频、随机振动试验，有了试验结果，对比赛也就有了信心。

但是，要想赢，重量轻！没想到前几名作品的减振成绩相差1.5%以内。

虽然比赛作品提交时间一再延迟近月余，但我们4个作品在没有进行热处理、赶时间准时交付的情况下，仍然拿了一个三等奖、一个优胜奖。

科工、科技两大航天集团各有3队进入前六名。

感觉不少单位、高校的增材制造与设计优化分析严重脱钩。

3 阻尼才是皇帝的新装

四边固支蜂窝板上安装有2个单机，如下图。

上图模型的前10阶模态频率如下图。

进行蜂窝板法向频响分析，采用振型叠加法，即模态法，模态临界阻尼系数取0.05，大单机4脚点放大倍数分析结果如下图。

仅修改模态阻尼系数，一阶模态阻尼系数取0.05，二阶取0.003，三阶及以上取0.01，大单机4脚点放大倍数分析结果如下图。 

振动试验与仿真对比，怎么比都可以，差200%都不是事。想通过仿真代替试验，节省成本，路还长着呢。

无知者无畏，如同穿着“新装”的皇帝，走起路来大摇大摆。