夾具特性對振動控制精度影響效應分析

朱子宏，沈志強，高文碩，邵麗娟

（北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點試驗室，北京 100094）

夾具特性對振動控制精度影響效應分析

朱子宏，沈志強，高文碩，邵麗娟

（北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點試驗室，北京 100094）

夾具作為產品與振動臺之間的連接部件在振動試驗中起著非常重要的作用。為了探究夾具特性對振動試驗控制精度影響效應，根據夾具設計準則的基本要求，對某型號試件的振動試驗的兩種不同的夾具進行振動試驗研究和有限元分析，得到兩種夾具的自身特性以及其振動試驗特性，并根據試驗結果對該類的振動試驗夾具的設計給出合理化建議。

振動試驗；控制精度；夾具

引言

振動是產品在服役過程中失效的主要環境因素之一，許多航天器設備的故障和事故都與振動問題直接或間接相關。眾多振動環境中，隨機振動最為普遍。試驗室中為模擬產品的工作環境，通常要進行平穩、各態經歷的隨機振動試驗，以增加和考核產品在隨機振動工作下的可靠性，而夾具作為振動臺與試驗件的連接部件，其設計是振動試驗中的一個重要環節。如果夾具選用的不合適，就可能會影響試驗的控制精度，出現欠試驗或過實驗，因此試驗的成功與否，試驗結果的可信程度與試驗夾具的設計、制造及安裝使用水平有直接關系。本文著重討論夾具特性對振動試驗控制精度響應效應。

1 振動試驗夾具設計準則

夾具是振動試驗的傳力部件，它把振動臺面的運動傳遞給試件，傳遞路徑如圖1所示，使試件在規定的振動量級下得到考驗，夾具性能的好壞直接影響到振動試驗的真實度和可靠度。在隨機振動過程中，試驗頻段內均分布有能量，如果振動試驗夾具選用不當，就會引起振動試驗的控制超差，導致試件在振動頻率范圍內產生過試驗的問題，從而不能正確地對結構的動態特性進行考核。理想的振動試驗夾具應該具有以下幾點基本特性：①夾具的一階固有頻率應該高于試件的一階固有頻率3倍，在試驗頻率范圍內，應該限制夾具共振峰個數；②夾具與試件連接面上各點響應要一致確保振動輸入的均勻性；③夾具的橫向振動應盡量小。本文以某型號衛星的控制單元兩個典型夾具為例，進行振動試驗，并對試驗結果進行對比研究了不同夾具對于控制精度的影響。

圖1 振動臺機械能傳遞關系

圖2 夾具垂直安裝（X向安裝）示意圖

2 夾具特性對振動試驗控制精度的影響

2.1 夾具的選取

衛星的部件振動試驗常用的夾具有L型夾具和盒式夾具，目前某型號衛星的控制單元主要使用的也是這兩種類型的夾具。進行試驗的夾具如圖1所示，振動試驗夾具A為盒式夾具、夾具B為L型夾具，兩個夾具均為鋁制的，定義控制單元垂直安裝面的方向為Z向，平行安裝面的方向為X、Y向，坐標系定義見圖2所示。并在試驗安裝面上粘貼測量傳感器A1、A2和B1、B2如圖1所示。其中上端測點為1，下端測點為2。

2.2 試驗內容

1）控制點位于夾具與輔助臺面的連接面上，采用兩點平均控制，分別進行夾具A、夾具B的X向特征級掃頻試驗，夾具安裝如圖1所示；

2）分別以A1X、A2X（B1X、B2X）為控制通道，進行夾具A（B）的X向隨機振動試驗；

圖3 夾具水平安裝Z向試驗

圖4 夾具水平安裝X向試驗

表1 特征級掃頻振動試驗條件

3）控制點位于夾具與水平滑臺的連接面上，采用兩點平均控制，進行夾具A、夾具B的Z向特征級掃頻試驗夾具安裝如圖3所示；

4）分別以A1Z、A2Z（B1Z、B2Z）為控制通道，在水平臺上進行夾具A（B）的Z向隨機振動試驗；

5）以夾具安裝面上兩點平均控制，在水平臺上進行夾具A、夾具B的X向隨機振動試驗夾具安裝如圖4所示。

2.3 試驗條件

特征級掃頻振動試驗條件如表1所示。

隨機振動試驗條件如表2所示。

3 試驗結果

3.1 正弦掃頻振動試驗結果正弦掃頻振動試驗結果如圖5、圖6以及表3所示。從圖5、圖6和表3可以看出在進行X向和Z向特征級試驗時，具有如下特點：

圖5 X向特征級掃頻試驗結果

圖6 Z向特征級掃頻試驗結果

1）夾具A在部分共振點上，非主振方向的響應要大于主振方向的響應，夾具的橫向振動較大，夾具B的主振方向遠大于非主振方向的響應值，夾具的橫向振動較小。

表3 正弦掃頻振動試驗結果

2）夾具A在一階共振點的響應值和最大響應值均大于夾具B的測點響應值，相比之下，夾具B共振時放大倍數較小，響應曲線更加平緩。

3）夾具A的測點1、2的響應值相差較大，夾具B的測點1、2的響應值較為接近，即夾具B連接面上各點響應較為一致，可以確保振動輸入的均勻性。

4）2 000 Hz以內，夾具B的共振峰個數要明顯少于夾具A的共振峰的個數。

由此可以說明，夾具B與夾具A相比具有更好的傳遞特性。

3.2 隨機振動試驗結果

隨機振動試驗結果如圖7、圖8、圖9以及表4所示 ，其中CA為夾具A的控制曲線，CB為夾具B的控制曲線。從圖中可以看出，在水平滑臺上夾具B的兩個方向安裝方式隨機振動試驗控制曲線和總均方根均未出現超差現象，在垂直臺上隨機振動試驗控制曲線僅在1 645 Hz時有一微小超差，而且總均方根未出現超差現象，相反對于夾具A無論是在水平滑臺還是在垂直臺面上進行隨機振動試驗時，控制曲線都會出現很多超差點，且超差現象嚴重，三種安裝方式的控制曲線在1 000 Hz以后基本都超出試驗容差范圍內，在600 Hz以前就開始出現超差現象，夾具A的三種安裝方式隨機振動試驗總均方根都不同程度超過參考值。試驗結果表明，用夾具A進行控制單元的隨機振動試驗時，容易導致試驗控制超差，輸入失真，導致過試驗現象的產生，夾具B在進行隨機振動試驗時，傳遞特性好，不易超差。

圖7 夾具垂直臺上X向隨機振動試驗控制曲線

圖8 夾具水平滑臺上Z向隨機振動試驗控制曲線

圖9 夾具水平滑臺上X向隨機振動試驗控制曲線

4 有限元計算結果

采用大型通用軟件ANSYS對夾具A、夾具B進行有限元分析，采用solid45單元進行網格劃分，在進行夾具的掃頻試驗時，均是產品非安裝面與振動臺進行連接，在有限元分析的時候取產品非安裝面的底部進行固支邊界條件。其有限元模型和約束條件如圖10所示。

表4 隨機振動試驗結果

表5 夾具固有頻率統計表

根據計算結果將夾具A、夾具B在2 000 Hz以內的固有頻率統計如表5、圖11所示。

從表5和圖11可以看出夾具B除一階頻率略低于夾具A之外，其他各階固有頻率均高于夾具B的相同階數頻率這與試驗曲線顯示的結果基本一致，而且在2 000 Hz以內，夾具B僅有7個模態數，尤其是在1 500 Hz以后未出現明顯的共振頻率；夾具A在200 Hz以內具有較多的模態數，在1 500 Hz后有5個共振頻率，由于夾具A在高頻部分具有較多的共振頻率，導致其在進行隨機振動試驗時候容易出現高頻超差的現象。由此可以說明在進行某型號衛星控制單元的振動試驗時，采用夾具B更好。

5 結論

通過對某型號控制單元振動試驗夾具進行正弦掃頻試驗和隨機振動試驗，并且進行有限元模態分析，可以得到如下結論：

1）夾具B與夾具A相比，橫向振動較小，共振峰處響應放大倍數小，連接面上各點響應一致性好，在試驗頻率范圍內具有較少的共振峰，夾具B相比夾具A具有更好的傳遞特性。

圖10 夾具網格劃分及約束情況

圖11 夾具模態分布圖

2）在進行隨機振動試驗時，夾具A超差嚴重，夾具B基本不超差，用夾具B進行產品的隨機振動試驗時可以確保控制輸入的精度，可見振動試驗夾具的特性對試驗控制精度有較大的影響。

3）根據試驗結果和有限元計算的結果，振動試驗中選擇合適的夾具，可以避免試驗的過實驗。

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朱子宏，男，（1964 -），高級工程師，研究方向：動力學環境試驗研究。

Analysis of Effect of Fixture Characteristics on Vibration Control Accuracy

ZHU Zi-hong, SHEN Zhi-qiang, GAO Wen-shuo, SHAO Li-juan
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094)

As a connecting part between the product and the shaker, the fixture plays a very important role in the vibration test.In order to investigate the effect of fixture characteristics on the control precision of vibration test, and according to the basic requirements of fixture design criteria, two kinds of fixture for a certain type of specimen were subjected to vibration test and finite element analysis.The characteristics of the two kinds of fixtures and their vibration test characteristics are obtained, and some rationalization recommendations for the vibration test fixture design are given according to the results.

vibration test; control accuracy; fixture

V416.2

A

1004-7204（2016）05-0014-06