某異型結構振動夾具的設計及試驗驗證

馬征，李東強，顧陽，劉凱

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某異型結構振動夾具的設計及試驗驗證

馬征，李東強，顧陽，劉凱

（湖北航天技術研究院總體設計所，武漢 430040）

目的完成某異型飛行器的振動夾具設計。方法對初步設計的夾具進行有限元模態仿真計算、傳遞均勻性仿真計算，結合仿真計算結果，有針對性地對夾具進行設計改進。經仿真計算，設計改進后夾具滿足設計固有頻率及均勻性要求。結果夾具固有頻率的試驗結果與仿真計算誤差約為7%，均勻性也較吻合。結論驗證了仿真計算結果的正確性、設計的合理性，該異型飛行器振動試驗進一步驗證了該夾具傳遞特性也較好。

異型結構；振動夾具；仿真計算

隨著技術的發展，無人機、衛星、火箭與導彈等飛行器的結構越來越復雜，飛行環境也越來越惡劣，需要嚴苛的地面試驗來考核。振動試驗是其中一項極為重要的試驗，而振動夾具的設計又是振動試驗能否順利完成的關鍵一環。

振動夾具的作用是把振動臺動載荷傳遞到試驗試件上，使試驗試件產生與要求振動譜形相一致的強迫振動。如果振動夾具設計不合理，可能使試驗試件受到的振動環境產生失真，造成“欠試驗”或“過試驗”；也可能影響振動控制，使振動控制某些頻率段超差嚴重，使試驗難以進行；還有可能由于夾具傳遞特性差，造成振動臺推力損失大，使現有振動臺無法滿足試驗振動量級要求。因此，振動夾具設計是否合理直接影響到振動試驗的效果，而設計合理的振動夾具，關鍵在于夾具的一階固有頻率要盡量高，且均勻性和傳遞特性要好[1—14]。

文中針對某飛行器的某異型結構，在無該類型結構振動夾具設計經驗的情況下，使用有限元軟件分析改進了該結構夾具的結構形式，減少了設計的盲目性，通過試驗驗證了仿真計算的正確性、設計的合理性，并最終較好地完成了該異型結構振動試驗。

1 設計要求

該異型結構質量約為300 kg，振動條件為隨機振動，控制譜均方根值為13，振動方向為軸向，試驗頻段為10~2000 Hz。要為該結構設計一個固有頻率超過2000 Hz的夾具是不現實的。根據相關文獻[4—5]：夾具的一階固有頻率大于試件一階頻率的3倍，則試件的響應接近理想值。考慮結構固有頻率特性及振動試驗要求，該結構夾具應滿足以下要求。

1）固有頻率：夾具的一階固有頻率應大于600 Hz。

2）均勻性：要求夾具與結構連接面的均方根值之差控制在±3 dB范圍內。考慮到夾具為異型，存在短軸與長軸處響應差別較大情況，要求與結構連接面短軸、長軸位置處的均方根值之差控制在±6 dB范圍內。

2 夾具設計

2.1 材料選擇

振動試驗夾具的材料應選用比剛度大、阻尼大的材料，常用的金屬材料為鋼、鈹、鎂合金和鋁合金。其中鋁合金的比剛度大、阻尼大，易加工和焊接，應用最為廣泛[7]。該夾具材料選用鋁合金5A06。

2.2 制造工藝選擇

振動夾具的制造工藝主要有鑄造法和焊接法，焊接法簡單且加工效率高，加工時間和費用分別為鑄造的1/7和1/3。隨著焊接技術的不斷提高，目前焊接件的強度能達到原材料的80%以上[7]。綜合考慮，該結構振動夾具制造工藝選用焊接法。

2.3 夾具的最大允許質量

夾具的最大允許質量與振動試驗所需推力有關，考慮到夾具在振動傳遞時的推力損失，結構振動試驗所需推力應不超過振動臺最大推力的80%。使用16 t振動臺（最大隨機推力為160 kN，動圈質量為200 kg）來進行試驗，該結構夾具的最大允許質量按式（1）計算。經計算，夾具的最大允許質量約為500 kg。

rms≥（結+動+夾）rms(1)

式中：rms為振動臺推薦使用的最大推力，16 t振動臺約為128 kN；rms為該異型結構的最大振動量級（127.4 m/s2）；艙為該異型結構的質量；夾為夾具的最大允許質量。

2.4 夾具的結構設計

夾具的結構設計主要依據振動臺動圈的安裝孔位置、尺寸和結構后端框連接孔形式、位置及尺寸等進行設計。同時，考慮了結構后端面有無突出物（如定位銷等）、加速度計粘貼位置、電纜線布置、起吊和安裝是否方便等問題。

2.4.1 初步設計及仿真計算

初步設計的結構形式參照常規圓柱形結構的振動夾具形式進行，主要由厚度均為30 mm的上平板、下平板和8塊筋板組成，高度為210 mm，夾具質量為80 kg。考慮夾具傳遞的均勻性，在長軸和短軸部位均布置肋板。使用MSC.Patran/Nastran軟件進行有限元仿真計算，仿真模型采用六面體單元，單元基本尺寸為10 mm，單元總數為35 925個，節點總數為47 834個。將夾具下平板螺栓孔上的節點建立MPC，其有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型

模態計算時，約束MPC 6個自由度以模擬其固定在振動臺上狀態，一階模態頻率為409.73 Hz，振型為沿中心軸旋轉，其一階模態振型見圖2。

圖2 一階模態振型

均勻性計算時，約束MPC除軸向外的其余5個自由度，對MPC加載軸向加速度載荷計算頻響。頻響計算完后對夾具施加幅值為0.0022/Hz、頻率為10~2000 Hz的平直譜隨機激勵（均方根值為2），短軸、長軸處在軸向上的均方根值分別為3.799，9.052，響應圖譜對比見圖3。

圖3 短軸、長軸響應圖譜對比

由模態振型可知，肋板和上平板長軸部位的剛度較弱，該夾具不滿足一階固有頻率應大于600 Hz的要求。均勻性計算僅加載了軸向載荷（振動臺實際工作時會有一定的橫向運動），雖未激勵出夾具其他方向的模態（如一階旋轉模態），但不影響對夾具軸向均勻性的預示指導作用。根據均勻性計算結果，短軸、長軸位置處均方根值之差約為7.5 dB，不滿足均勻性要求。

2.4.2 改進設計及仿真計算

針對初步設計夾具存在肋板和上平板長軸部位剛度較弱的問題，在初步設計夾具的基礎上增加了8塊肋板和1個圓環筋。圓環筋高度為90 mm，厚度為30 mm，其中長軸位置附近處肋板厚度改為40 mm，并對長軸處肋板與上平板連接處的凸臺做了加高處理，夾具質量為115 kg。采用相同方法建立改進后夾具的有限元模型，并進行模態計算和均勻性計算。改進后夾具的一階模態頻率為723.18 Hz，振型為沿中心軸旋轉，其有限元模型和一階模態振型分別見圖4和圖5。短軸、長軸處在軸向上的均方根值分別為3.386，6.592，響應圖譜對比見圖6。

圖4 改進后的有限元模型

改進后夾具的質量增加了35 kg，但一階固有頻率比初步設計夾具提高了77%，夾具的固有頻率提升效果明顯，滿足夾具一階固有頻率大于600 Hz的要求。同時短軸、長軸位置處均方根值之差約為5.8 dB，均勻性有一定的改善，改進后工裝質量遠小于最大允許質量，均勻性仍有較大的提升空間。考慮到以往沒有該異型結構振動試驗經驗，其推力損失有可能會很大，若繼續加厚肋板等會使工裝質量增加，振動臺推力余量變小。同時會造成連接螺釘的操作空間小、安裝困難，且改進后工裝已滿足均勻性要求，因此對均勻性未做進一步提升改進。

圖5 改進后的一階模態振型

圖6 改進后短軸、長軸響應圖譜對比

3 試驗驗證

3.1 模態試驗

將改進后的夾具固定在振動臺上，使用LMS模態試驗設備對夾具進行模態試驗驗證。試驗采用錘擊法，錘擊位置為上平板長軸部位，采用力錘錘擊，，三個方向，以獲取的頻響函數進行模態分析，得到夾具的一階固有頻率為776.97 Hz，振型為沿中心軸旋轉。試驗驗證主要測點位置見圖7，測得的一階模態振型見圖8。

圖7 試驗驗證主要測點位置

改進后夾具的模態試驗表明，夾具一階固有頻率比仿真計算高約7%（54 Hz）。主要原因是仿真計算將夾具下平板螺紋孔完全剛性約束，忽略了振動臺、螺栓連接、焊接等影響因素。根據上述分析，模態仿真計算結果與試驗驗證結果基本吻合，改進后夾具滿足固有頻率要求。

3.2 均勻性試驗

在振動臺上，將控制點放置在夾具下平板中心位置，加速度計布置在上平板上，位置同圖7。對夾具施加與仿真計算相同的平直譜隨機激勵，其測點均方根值結果統計見表1。1#測點（短軸位置）、2#測點（短軸與長軸中間位置）、3#測點（長軸位置）處的響應對比見圖9。以短軸位置處響應為例對比，1#測點、5#測點的響應對比見圖10。

根據表1可知，夾具上平板測點的最小均方根值為3.41（1#測點），與最大均方根值6.75（3#測點）相比，其差值控制在±6 dB范圍內。根據表1和圖10，各測點沿短軸或長軸對稱位置處基本一致，差值均控制在±3 dB范圍內。根據圖9和圖10，夾具的一階固有頻率在750 Hz附近，進一步驗證了仿真計算的正確性，改進后夾具均勻性滿足設計要求。

表1 測點均方根值統計 g

圖9 1#、2#、3#測點的響應對比

3.3 異型結構振動試驗

后續使用該夾具進行異型結構的振動試驗，試驗的兩個控制點位于夾具與異型結構端框連接的長軸部位，振動試驗控制譜圖見圖11。根據圖11可知，振動控制譜均在要求值的±3 dB范圍內，滿足試驗控制要求。該結構的振動試驗量級為13，振動臺動圈處的監測點響應為10.3，即夾具在振動傳遞過程中，不僅沒有衰減，還有所放大，說明夾具的傳遞特性也較好。該夾具順利完成了異型結構振動試驗。

圖11 振動控制譜圖

4 結語

針對某異型結構開展了振動夾具設計，對初步設計的夾具進行有限元模態仿真計算、傳遞均勻性仿真計算。根據仿真計算結果有針對性地對夾具進行了改進，并通過模態試驗、均勻性試驗及結構試驗驗證了夾具設計合理有效。該夾具的設計過程對其他夾具設計具有較好的借鑒作用。

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Design and Experimental Verification of a Special Shaped Vibration Fixture Structure

MA Zheng, LI Dong-qiang, GU Yang, LIU Kai

(Hubei Aerospace Technology Research Institute HQ Designing, Wuhan 430040, China)

Objective To design a vibration fixture of a special shaped aircraft. Methods Firstly, the finite element modal simulation calculation and the uniformity simulation calculation were carried out for the preliminary design of the vibration fixture. The vibration fixture was improved based on the simulation results. By calculation, the fixture after design improvement met the design requirements on frequency and uniformity. Results There was an error of 7% between the natural frequency test result of the fixture and simulation calculation. The uniformity was also consistent. Conclusion The result of simulation calculation is correct and the design is reasonable. The transfer characteristic of the fixture is good.

special shaped structure; vibration fixture; simulation calculation

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.018

TJ760.5

A

1672-9242(2017)03-0090-05

2016-11-22；

2016-12-27

馬征（1986—），男，河南洛陽人，工程師，碩士，主要研究方向為裝備振動、沖擊等試驗技術。