大型振動工裝設計可靠性提升技術研究

胡佳，柴艷紅，李勇，朱士琦，魏鵬鵬

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

振動工裝是用于連接振動臺面與待振產品，并將振動臺上的振動力傳遞到待振產品上的一種工藝裝備，其性能直接影響到振動試驗的真實程度和可靠程度。為了將振動臺的運動和能量不失真地傳遞給產品，振動臺不僅要有好的強度和剛度，還要有較高的固有頻率。如果振動工裝設計不當，在試驗頻率范圍內工裝本身會產生共振，使產品承受不應有的過大載荷而破壞，從而試驗得到錯誤的結果。因此，合理地設計大型振動工裝是產品結構研制過程中一項極其重要的工作[1-3]。

1 大型振動工裝

某天線需開展正弦振動試驗(5Hz～100Hz)，要求振動工裝總質量控制在1t內，基頻≥120Hz，滿足天線正弦振動試驗需求。工裝設計采取通用化、模塊化的方式，充分考慮其吊裝性、安全性等一系列指標，所設計工裝的初步方案采用鋁合金型材焊接而成，其結構示意圖見圖1。

圖1 振動工裝初步方案結構示意圖

2 振動工裝模態分析

為了避免振動試驗時產品和工裝之間產生耦合振動，要求振動工裝的基頻盡量落在試驗頻率范圍之外。由于試驗頻率帶寬較大，振動工裝基頻要做到產品基頻的3倍及以上。通過對振動工裝結構進行模態分析，求解工裝基頻，可知工裝基頻為113Hz，低于指標要求。因此，需對此工裝方案進行改進來提升工裝基頻。

對工裝結構進行模態分析，前五階的共振頻率見表1。

表1 工裝的前五階共振頻率

3 振動工裝結構改進

3.1 影響工裝基頻的因素

影響振動工裝基頻的因素主要有兩個：質量和剛度。工裝基頻與質量、剛度的關系如下：

(1)

式中：p為系數；k為剛度；m為質量。一般說來，結構件剛度k越大，質量m越小，其固有頻率即基頻會越高，但是要考慮結構件的結構強度，防止因強度不足，而導致結構件自身被振壞[4]。

3.2 改進措施

1)增強結構剛性

為提高振動工裝結構剛性，在底座立柱兩兩之間多添加了一組加強筋。另外，為增加焊縫長度和結構強度，在底板每道焊縫處都增加了加強筋，以增強工裝可靠性，見圖2。此外，在基座立柱上添加了斜筋，以此增加基座結構穩定性，減小產品天線安裝面的振動響應值，保證振動臺的振動能正確地傳遞給產品。

圖2 修改前后的底座、基座結構對比

對改進后的設計方案進行模態分析，前五階共振頻率見表2。由表2可知，在工裝底座及基座上添加了加強筋增加了結構剛性后，工裝的基頻升至142Hz。

表2 第一次改進后工裝的前五階共振頻率

2)減輕工裝質量

由公式(1)可知，在保證結構剛性的前提下，適當對工裝減質量，可以在一定程度內提高工裝基頻。如圖3所示，通過在基座和底座底板上無安裝孔的位置挖減質量孔，可大幅減輕工裝整體質量。

對再次改進后的設計方案進行模態分析，見圖4。前五階共振頻率見表3。由表3可知，對振動工裝進行加強、減質量處理后，工裝的基頻升至162Hz。

圖3 底座和基座上的減質量孔

圖4 改進后的模態分析圖

表3 第二次改進后工裝的前五階共振頻率

3.3 工裝改進后結果

改進后的工裝結構見圖5，尺寸為2.1m×1.6m×1.6m，總質量933kg，底座和基座采用鋁合金型材焊接完成，兩者之間采用緊固件固定，基座單獨用于產品的周轉放置，仿真后基頻為162Hz。根據工程經驗，大型焊接工裝的實際基頻約為仿真值的75%～80%，預估得到工裝實際基頻約在125Hz左右，符合設計原則中要求總質量<1t、基頻≥120Hz的要求，可進行工裝投產。

圖5 改進后的振動工裝結構示意圖

4 振動工裝鑒定試驗

4.1 綜述

工裝投產后，需對其開展鑒定試驗來驗證其可靠性，試驗方向定義見圖6，試驗步驟見表4。只有在確認振動工裝在試驗頻率內無諧振或諧振對試驗無影響，且傳遞率滿足要求，不影響受試產品的固有特性及其所感受應力的情況時，方可認為工裝可用[5]。

圖6 工裝方向定義

表4 試驗流程

4.2 工裝鑒定試驗

1)掃頻試驗

掃頻是為了驗證振動試驗時工裝的共振情況，即得到工裝的共振頻率。由圖7可以看出，工裝在x、y、z三個方向的共振頻率分別是121.7Hz、122.6Hz、147.5Hz，與仿真得到的預估結果相差不大。

2)預振試驗

預振試驗時控制點放在產品與工裝的連接面上，是為了驗證工裝向產品傳遞振動的情況。對于大型工裝，在振動時由于自身的結構特點必然無法100%傳遞振動，一般都會響應放大。由圖8可知在5Hz～100Hz的范圍內控制曲線整體平穩，且振動響應都在容差范圍之內，說明工裝在x、y、z三個方向的振動都在振動臺的可控制范圍內，工裝滿足使用需求。

3)振動工裝鑒定級正弦振動試驗

鑒定級正弦振動試驗是為了模擬工裝帶載試驗，驗證在正式試驗時工裝結構、焊點、緊固件等一系列因素的可靠性。由圖9可知，x、y、z三個方向的振動控制曲線都在容差范圍內波動，說明振動臺可及時對工裝響應進行反饋調整，工裝情況良好，滿足正式試驗使用需求。

4)振動工裝復振試驗

復振試驗的目的是為了驗證工裝在經過兩次預振試驗及一次鑒定級正弦振動試驗后結構本身有無受到影響，見圖10，x、y、z3個方向的控制曲線全部都在容差范圍內且平穩波動，可證明工裝結構無損壞。

4.3 工裝鑒定試驗結果分析

振動工裝鑒定試驗每個方向都進行了4次試驗，可歸納如下：掃工裝基頻—驗證工裝傳遞率—模擬正式試驗—驗證工裝結構穩定性。流程綜合考慮整個試驗過程，涵蓋了工裝工藝鑒定時各方面的情況，且4次試驗的振動控制曲線都在設定的±10%的容差范圍內波動，滿足 “對于正弦掃頻或定頻振動，保持在規定振幅的±10%以內[6-7]”的工裝判定標準，可認定該工裝結構合理，可進行帶載試驗。

5 結語

通過設計適用于大型天線的振動工裝，分析工裝設計過程中的關鍵點，用有限元仿真對方案階段的工裝結構進行分析，提前了解工裝的基頻和薄弱點并對其進行完善。工裝投產后，用試驗驗證的方式逆向證明了此大型振動工裝設計方案階段關鍵點把握的準確性、仿真數據的正確性，可為后續大型振動工裝的設計提供參考。