航空電子產品振動試驗夾具設計

李青偉　趙路

摘 要：振動試驗夾具用于連接振動臺和試驗產品，并能盡可能不失真的將振動臺輸出的能量傳遞給試驗產品，在振動試驗中發揮著非常重要的作用，試驗的成功與否，試驗結果的可信程度，與試驗夾具的設計、制作及安裝使用水平息息相關。不合理的夾具將導致“過振動”或“欠振動”，使振動條件失真，無法達到預期效果，嚴重的會對試驗樣件造成破壞。本文首先闡述了振動夾具的設計要點，然后以LRM模塊為例設計其振動夾具，并使用ANSYS有限元仿真分析軟件進行模態仿真，根據仿真結果對夾具進行優化處理，最后設計出優質的振動夾具。

關鍵詞：振動；夾具；ANSYS

中圖分類號： E926.391 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）25-240-2

1 振動夾具的設計要點

1.1 振動夾具的基本設計要求

根據多年的工作實踐經驗，同時翻閱了的大量的文獻資料，我們認為合理可靠的振動夾具首先要保證在試驗頻率范圍內不會與受試產品發生共振耦合，導致振動失真，其次應盡可能地減少夾具的重量，增大其剛度和阻尼。一個優質的振動夾具主要應滿足以下幾項要求：

①最佳的夾具應使其最低的固有頻率比所需的最高施振頻率高50%左右，以免試驗時產生諧振，大多數航空電子產品的隨即振動試驗頻率范圍為10～2000Hz，因此夾具的理想一階固有頻率應在3000Hz左右；

②夾具的第一階固有頻率應高于受試產品第一階固有頻率的3～5倍， 以避免發生夾具與受試產品的共振耦合，導致過振動；

③夾具應做得盡可能的小而簡單，由于振動臺的推力有限，為保證有足夠的推力富余量，在不降低剛度的情況下，夾具重量要盡量的輕；

④夾具應采用對稱設計，重心位置應當靠近振動臺的幾何中心，以減小振動偏載力矩，高度方向上重心要低，以減小橫振力矩。

1.2 振動夾具材料的選擇

制作夾具首先要選擇材料，材料性能方面應具有較小的密度、較大的剛度和較高的阻尼，且應當易于加工，同時要兼顧加工成本。直接影響夾具固有頻率與性能的因素是材料的彈性模量E與材料密度ρ之比，比值E/ρ非常重要，E決定材料的剛度，ρ決定材料的重量，其值越大越好。一般選擇的材料為鋁硅合金、鋁鎂合金或者ZL101，而不推薦使用鋼材。

1.3 振動夾具加工方式的選擇

夾具制造加工方法性能上的優先級是：首先選擇鑄造成型，其次用整塊材料機械加工，其次選擇焊接，最后選擇螺接連接。整體機加夾具是最快最省的方法，且性能良好，大量應用于結構簡單、尺寸較小的產品中；此法不可行時應優先考慮鑄造夾具，鑄造夾具最顯著的優點是鑄造合金的阻尼相當高，但由于需要制作模具，所以生產成本較高；焊接夾具一般采用連續焊縫的惰性氣體保護焊，在焊接過程中容易因高溫而變形，此時應考慮焊后的熱處理和機械補充加工；螺栓連接夾具由于是局部連接，容易形成微振動，且在高頻段容易失真，可靠性較差，要謹慎選用。

1.4 電裝部分的設計

航空電子設備在進行隨即振動時，需要對試驗樣機進行監測，很多時候需要在振動夾具上布置電裝部分進行轉接，電裝的設計主要應注意兩個方面：第一，選用高強度印制板，印制板上的元器件和連接器應當具備較好的抗震性能，并應采取一定的防震措施；第二，電纜布置要合理，長電纜要采取固定措施，如果對抗干擾無嚴格要求，優先選用半柔電纜。

2 振動夾具的設計與仿真

2.1 建立三維模型

下面以現在航空電子產品中應用較多的LRM模塊為例來分析夾具的設計，夾具模型如圖1所示，該夾具采用左右對稱設計，由60mm厚的2A12鋁合金扳機加而成，通過11個M8的螺釘固定在振動臺上，另外該夾具還具有以下幾個特點：第一，夾具有兩條平滑的導軌，用于裝夾LRM模塊，且尺寸、位置和表面精度均較高；第二，該夾具有帶印制板的電子裝置，對電裝部分應加以保護；第三，夾具自身有多處螺釘連接（螺釘連接部位不是夾具主體部分），在裝配螺紋時，涂螺紋鎖固劑樂泰243。

2.2 模態仿真

利用ANSYS有限元仿真分析軟件，對夾具進行模態仿真，試驗樣機的振動試驗頻率為10～2000Hz，則夾具的一階固有頻率在3000Hz左右為宜。由于夾具的電裝部分作為輔助裝置對試件的振動環境沒有明顯影響，因此在模態仿真時，可以去除夾具電裝，簡化后的夾具外形及網格劃分效果如圖2所示；發生在電裝位置的固有頻率對夾具主體無影響，不作為夾具整體的固有頻率。夾具的一階固有頻率如圖3所示，頻率值為3522.7Hz，表現為夾具兩側的翻動。頻率值較高，表明夾具還有優化設計的余地。

2.3 優化設計

由于該夾具整體的結構設計是滿足夾具設計原則的，因此只需減小其重量。返回CAD軟件修改夾具的三維模型，減小了夾具底部、側面和加強筋的厚度尺寸，原夾具的重量為5.52kg，優化之后的重量為4.63kg，共減重了0.89kg，然后重新對夾具進行仿真分析，其一階固有頻率如圖4所示，頻率值降為3108.6Hz，已經基本滿足設計要求。優化后的試驗夾具在投入使用的一年中，共經歷了30余次隨即振動試驗，效果良好。

3 結論

優質的振動夾具應保證能夠準確地將振動臺的能量傳遞到試驗樣機，且不會發生共振耦合，本論文提供了一種夾具設計的思路，首先要了解夾具設計的基本原則，包括材料和加工方式的選擇、電裝部分的設計等內容；其次使用CAD軟件建立三維模型；然后利用有限元仿真分析軟件（如ANSYS）進行模態仿真；最后才能生產使用。有限元分析軟件的應用大大地簡化了對固有頻率的計算，是提高結構設計質量和效率的有效手段。

參 考 文 獻

[1] Dave S Steinberg. Vibration Analysis for Electronic Equipment，Third Edition[M]. 北京：航空工業出版社，2012.

[2] 胡波，何林.振動試驗夾具的設計[J].電子產品可靠性與環境試驗，2005，23（3）：45-48.