振動試驗夾具設計及頻率響應特性研究

熊偉華，王大兵，王鳳車

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 571069）

振動試驗夾具設計及頻率響應特性研究

熊偉華，王大兵，王鳳車

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 571069）

采用CAE有限元分析軟件ANSYS進行了輔助設計，快速高效的設計并制造出了一種滿足于振動試驗要求的試驗夾具，該夾具具有一定的通用性。通過對制造出的振動試驗夾具進行的試驗及分析，表明該夾具的實測頻率響應與有限元分析結果比較一致。滿足試驗條件要求。

有限元分析；試驗夾具；通用性；試驗分析

引言

振動是自然界及工程技術領域中經常碰到的問題，由振動引起的危害具有多方面性且嚴重性，在新研設備實際使用前，必須模擬真實的振動環境對其進行考核試驗，以保證設備能夠安全、正常的工作。在對設備進行振動試驗檢測時，通常受試設備不能直接安裝在振動試驗臺上，需要借助振動試驗夾具，先將受試設備安裝在振動夾具上，然后一起安裝在振動臺上。由于振動臺在運動和能量的傳遞過程中有試驗夾具參與，故不能將振動臺輸出的運動及能量完全、真實的傳遞給受試設備。因此，振動試驗夾具力學性能的優劣、傳遞性能的好壞就直接決定試驗結果的可信度。

在夾具設計前，應根據受試設備的結構特點，確定振動試驗夾具的基本結構，通常情況下，整體鑄件結構的力學性能較連接件性能穩定可靠。在考慮通用性情況下，可根據需要進行必要的模塊化設計。在現今的振動試驗夾具設計通常采用CAE有限元分析軟件進行輔助設計，計算其固有頻率機器頻率響應特性[1]。

1 夾具的設計

1.1 結構設計

根據某電子設備，其結構特點為底部與背部均有安裝孔，且底部與背部安裝孔的間距隨不同型號而不同。由此，參考實際振動臺的結構及振動試驗夾具通用性要求，對夾具部分結構進行模塊化設計。夾具底座有六個螺紋孔與振動臺面連接，受試樣品直接放在振動臺面，底部則由壓塊直接進行固定。考慮到通用性要求，夾具上方設計兩個可活動的U形安裝板（如圖1），并且安裝板內開槽，則背部的兩個安裝孔與夾具上方的兩塊安裝板通過螺桿連接固定。如此設計可滿足該型產品系列的試驗要求，提高夾具的可利用率。

1.2 材料的選擇

在振動試驗夾具的設計過程中，主要考慮材料的強度、固有頻率以及頻率響應特性。首先應根據振動臺的性能以及受試設備的重量大致確定夾具最大的設計重量，將計算得到最大設計重量作為約束條件，最低固有頻率作為目標函數，夾具材料參數作為設計變量，對振動試驗夾具材料的選用進行分析研究。因為夾具最低固有頻率需避開試驗頻率，因此要求夾具具有高頻特性，而結構的固有頻率與材料模量相關。由振動相關理論可知：

式中β是傳遞率。傳遞率是響應幅值X與激勵幅值Y的比值，直接反映了夾具的傳遞特性。傳遞率小于1，表明夾具在運動能量傳遞過程中起到衰減作用，振動臺的運動與能量未完全傳遞在受試設備上，相反，傳遞率大于1，表明夾具在運動能量傳遞過程中起放大作用。傳遞率太大，容易導致受試設備產生“過振動”，不僅產生錯誤的試驗結論，也有可能會損壞受試設備或損壞振動臺；然而傳遞率太小容易產生“欠振動”，誤導檢測人員根據錯誤的試驗數據將不合格產品 判定為合格，從而導致受試設備未得到應有的篩選，導致檢測結果可信程度不高。

圖1 夾具結構圖及安裝板結構圖

上式中γ是頻率比。頻率比是激勵頻率與結構固有頻率的比值。結構固有頻率可表達為：

式（2）中f是固有頻率，m是質量，k是剛度。由于與剛度成正比，質量成反比，所以夾具選材的直接控制固有頻率的因素是比剛度E/ρ，比剛度是材料的彈性模量與其密度的比值。所以夾具設計過程中，比剛度值越大越好，表明相同剛度下材料重量更輕，最后的結果就是夾具的最低固有頻率在滿足約束條件下，可得到較高固有頻率，進而避開振動試驗的最高頻率[2]。

2 有限元分析

2.1 模態分析

根據以上對振動臺夾具應用材料的研究分析，在本夾具中選用比重小、比阻尼高的鋁合金材料。其參數入表1。

根據相關試驗標準規定，該產品試驗頻率范圍及量值為表2所示。

2.1.1 垂向分析

1）約束條件：底座水平方向約束，垂向施加激勵，振動架靠背安裝孔水平方向全約束，垂向自由；

采樣點：同一高度附近取兩節點，共取8個節點。

2）前5階模態頻率及前5階振型（見表3）

表1 夾具材料參數

表2 夾具使用頻率范圍

由ANSYS計算結果可知，在5～100 Hz階段，所取節點的響應加速度與激勵加速度基本保持一致；而在100 ～160 Hz階段，所取節點的響應加速度微弱放大，且所取節點中越遠離約束點放大效應也越大。

2.1.2 水平X向分析

1）約束條件：底座Y、Z方向約束，X向施加激勵，振動架靠背安裝孔水平方向全約束，垂向自由；

采樣點：同一高度附近取兩節點，共取8個節點。

2）前5階模態頻率及前5階振型（見表4）

由ANSYS計算結果可知，同垂向相同，在5～100 Hz階段，所取節點的響應加速度與激勵加速度基本保持一致；而在100～110 Hz階段，所取節點的響應加速度微弱放大，且所取節點中越遠離約束點放大效應也越大。

2.1.3 水平Y向分析

1）約束條件：結合實際中使用時的約束條件，設置底座X、Z方向約束，Y向施加激勵，振動架靠背安裝孔水平方向全約束，垂向自由；采樣點：同一高度附近取兩節點，共取8個節點。

2）前5階模態頻率及前5階振型（見表5）

由ANSYS計算結果可知，同X向相同，在5～100 Hz階段，所取節點的響應加速度與激勵加速度基本保持一致；而在100～120 Hz階段，所取節點的響應加速度微弱放大，且所取節點中越遠離約束點放大效應也越大。在試驗條件范圍內，由于在Y向夾具的剛度更大，因此線性關系比X向更好。

表3 顯控臺振動夾具表3前5階固有模態

表4 顯控臺振動夾具表3前5階固有模態

表5 前5階固有模態

3 試驗結果及分析

按照以上的設計方法，制造出了該套振動試驗夾具。將該套振動試驗夾具安裝在振動實驗臺上進行了振動試驗，按照有限元中計算的頻率段進行以方便進行對比驗證。將振動試驗夾具安裝在振動臺上后，在夾具頂端安裝了一個傳感器并編號為ch1，在靠近夾具中心安裝了一個傳感器并編號為ch2，在夾具的低端安裝了一個傳感器并編號為ch3。

X軸、Y軸和Z軸的測試結果見圖2。

從測試結果可知，5～60 Hz振動試驗夾具在低頻段時其頻響曲線基本保持在直線，且與控制曲線重合，說明該夾具在此段頻率范圍內傳遞特性好；由于夾具在制造過程中產生的一些不可抗缺陷，當測試頻率達到高頻時，響應曲線發生波動較大。從最大頻率段60～160 Hz測試曲線中取加速度最大比值點進行計算，傳遞特性最大偏差+4.3 db，該值在接受范圍內。

4 結論

本次振動臺通用型試驗夾具的設計過程中，根據夾具的實際使用環境及其安裝特點，并結合受試樣品的結構設計出的夾具。在使用有限元分析軟件ANSYS作為設計分析軟件，對夾具進行模態分析、頻響分析，從理論上避開了試驗條件的頻率范圍，并留有一定的余量。經過試驗驗證，此套夾具完全滿足使用要求。

圖2 三軸向側視圖

這種設計方法不僅保證了夾具特別是大型通用夾具的一次設計成功率，節約了成本，而且設計出的夾具具有良好的指標精度。

［1］孫忠濤，車英.振動試驗臺夾具設計及頻率響應特性研究［J］.長春理工大學學報，2010，33（2）；61-67.

［2］方同.振動理論及應用［M］.西安：西北工業大學出版社，2002.

熊偉華（1987-），碩士研究生，研究方向：從事電子設備可靠性工作及結構力學研究。

Research on Fixture Design of Vibration Test and Frequency Response Characteristic

XIONG Wei-hua，WANG Da-bing，WANG Feng-che
（No.617 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Lianyungang 571069）

A multipurpose fixture which can match the specific demands of vibration test has been designed.Furthermore，the experiment fixture structure is simulated by using the finite element analysis software ANSYS.The fixture has its universality.Through testing and analyzing the fixture，the results show that the measured frequency response is in accord with that worked out by the software；and the product can meet the experiment requirements.

multipurpose；finite element analysis；experiment fixture；experiment analysis

TH122

A

1004-7204（2015）06-0054-04