一種振動夾具結(jié)構(gòu)設計

朱海波，王亞濤

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

振動夾具是保證振動試驗成功的重要因素之一，理想的振動夾具是剛性的，能近似地模擬試件的實際工作狀態(tài)，保證夾具能夠?qū)⑦\動不失真的傳遞給試件并且保證試件上各個點的振幅與振動臺一致[1]。有時，對于特殊邊界條件或比較復雜的邊界條件，依據(jù)經(jīng)驗公式設計夾具就無法滿足要求[2]，需要借助有限元分析的手段輔助設計。

近年來，振動試驗成為驗證航空設備可靠性的主要手段，其在航空產(chǎn)品設計過程中的作用顯得越來越重要[3]。本文根據(jù)一款機載天線的結(jié)構(gòu)及該天線實際使用時的工作狀態(tài)設計了一款適用于該款天線的振動夾具。并采用建模仿真與試驗驗證相結(jié)合的方式驗證了此振動夾具的可用性。

1 振動夾具結(jié)構(gòu)設計

振動夾具的功用，是從振動臺(或沖擊機)通過機械連接把能量傳給試件，其質(zhì)量直接關(guān)系著試驗的成功與否[4]。振動試驗夾具既是連接振動臺與試驗件的一個過渡結(jié)構(gòu)，同時也是振動臺與試驗件中間的傳力結(jié)構(gòu)，因此，振動夾具成為影響振動試驗的一個重要原因，振動試驗是否順利進行，能否驗證設計水平，都與振動試驗夾具設計、制作水平息息相關(guān)[5]。

GJB150.16A—2009《軍用設備環(huán)境試驗方法：振動試驗》標準中規(guī)定：試件在進行振動試驗時，應當與其工作狀態(tài)保持一致，振動試驗采取的振動夾具應該保證與其在工作過程中的固定形式一致，可以等效地將樣件固定并進行試驗[6]。

設計合理的振動夾具應當保證傳遞振動臺的激勵不失真，這對夾具的剛度、質(zhì)量、固有頻率等特性參數(shù)提出了一定要求[7]。

振動夾具加工常用的材料為鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金等等。

上述常用材料的物理特性如表1所示，其中多數(shù)金屬的物理特性中E/ρ比值接近，金屬屬性對夾具固有頻率的影響并不明顯。E/ρ可以控制夾具的固有頻率，E代表楊氏模量，ρ代表密度，因此，重量成為設計夾具時的重要參考因素之一，鋁合金作為常用的工業(yè)金屬之一，密度較小，其阻尼特性比鋼要好，同時鋁合金材料質(zhì)量輕，價格便宜，也更易于加工。與同質(zhì)量的鋼件相比，通過合理的結(jié)構(gòu)設計可有效提高夾具剛度。因此本文夾具采用鋁合金加工[8]。

表1 夾具材料的物理特性

夾具設計原則是在滿足實際安裝條件的前提下，盡可能具有低的質(zhì)量和高的強度，在具體設計時應考慮一下幾點[9]：

① 設計產(chǎn)品和試驗用振動夾具的固有頻率；

② 通過表面處理，使夾具的底面達到較高的平面度，表面粗糙度Ra達到1.6 μm；

③ 夾具材料優(yōu)先選用剛度/質(zhì)量比值大的，比如鋁合金和鎂鋁合金，以提高固有頻率；

④ 振動夾具應該根據(jù)振動臺合理設計，保證連接接近實際受力情況，便于安裝；

⑤ 振動夾具設計時要根據(jù)現(xiàn)有加工水平合理設計加工方案，縮短加工周期，降低加工價格；

⑥ 應當避免振動夾具對傳遞特性、允許的正交運動以及振動偏差進行不合理的放大；

⑦ 根據(jù)試件的振動試驗功率譜密度及其結(jié)構(gòu)尺寸設計合理的夾具結(jié)構(gòu)；

⑧ 埋頭帶臺肩沉孔是夾具與振動臺連接的首選連接孔，振動夾具盡量選用螺紋孔或者鋼絲螺套固定樣件。

本文根據(jù)一種機載天線安裝狀態(tài)及上述原則設計了一款適用于該天線振動試驗的夾具，三維模型如圖1所示。

圖1 振動夾具三維模型

本文設計的夾具由6塊鋁板拼接而成，為了增加板與板之間的連接強度，減小夾具本身各個零件裝配對振動的影響，鋁板與鋁板之間采用先螺釘連接緊固，然后焊接為一體的方式加工。為了消除焊接產(chǎn)生的殘留應力，成型之后要經(jīng)過熱處理或時效處理，以消除焊接殘余應力[10]。

整體加工完成后，夾具安裝面采用龍門銑床加工保證平面度及表面粗糙度要求。

2 夾具隨機振動仿真分析

有限元分析技術(shù)的快速進步，為仿真設計帶來極大的便捷，在本文中，通過三維設計軟件確定振動夾具模型后，通過通用接口可以將模型導入仿真分析軟件，通過仿真分析找到夾具的振動及受力薄弱環(huán)節(jié)并對其進行優(yōu)化，從而得到滿足要求的夾具[11-12]。

振動夾具設計時，采用ANSYS仿真分析軟件分析了三維建模軟件設計的振動夾具的三維結(jié)構(gòu)模型在隨機振動條件下的諧振頻率。

隨機振動分析是指將特定的功率譜密度作為仿真分析的輸入條件，最終計算響應特定值出現(xiàn)概率的分析方法[13-14]。在設備設計過程中通過隨機振動分析，可以在設計階段驗證設備是否符合力學環(huán)境下的動力學響應，使設備結(jié)構(gòu)設計更加合理[15]。

首先將三維模型導入ANSYS軟件中，并將鋁合金的相關(guān)物理參數(shù)導入，通過降低網(wǎng)格劃分的難度，去掉模型中對仿真分析影響不大的細節(jié)和結(jié)構(gòu)，提高了運算分析的效率[16]，然后對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 振動夾具仿真模型網(wǎng)格劃分

產(chǎn)品低階模態(tài)對其振動響應較大，需要重點考慮，高階模態(tài)的影響在產(chǎn)品實際工作中可以忽略[17]。一般分析設備的前6階模態(tài)就可以滿足使用要求，振動夾具前6 階的共振頻率及前6階模態(tài)振型如表2及圖3～圖5所示。

表2 夾具前6階固有頻率

圖3 第1階與第2階模態(tài)振型

圖4 第3階與第4階模態(tài)振型

圖5 第5階與第6階模態(tài)振型

通過軟件仿真分析給出了夾具的前6階固有頻率，由分析可知，夾具前6階陣型主要是X軸、Y軸方向的擺動及圍繞Z軸的扭動。對上述可能出現(xiàn)諧振的位置進行了結(jié)構(gòu)加強，并通過加工實物并按照GJB要求的振動條件進行振動試驗，對夾具實物進行了驗證。

3 實物加工與試驗

通過三維設計和隨機振動分析，確定振動夾具模型，繪制工程圖紙，并加工了夾具實物，如圖6所示。

圖6 振動夾具實物

夾具加工后，通過夾具底面臺階孔采用內(nèi)六角螺釘將其固定在振動臺面上，保證夾具底面與振動臺良好接觸(圖7)，根據(jù)GJB機載設備振動條件要求 (圖8)進行了振動試驗，振動時長為1 h，試驗結(jié)束后進行機械性能和外觀質(zhì)量檢查。

圖7 振動夾具安裝圖

圖8 振動試驗譜

通過時間為1 h的振動試驗，外觀目測檢查未發(fā)現(xiàn)夾具被破壞，通過安裝在夾具上的監(jiān)測傳感器得到振動夾具在給定振動條件下的功率譜密度，如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)在20～2 000 Hz范圍內(nèi)，夾具在要求頻率范圍內(nèi)監(jiān)測到的振動頻率比較平穩(wěn)，對振動量級的放大效果均小于±2σ，一般認為諧振點放大量級在±2σ范圍內(nèi)即可使用[18]。因此認為此夾具可用于機載天線的振動試驗。

圖9 振動夾具功率譜密度

4 結(jié)束語

本文設計了一種用于機載天線振動試驗的振動夾具，并對其三維模型進行了諧振頻率仿真分析，優(yōu)化了夾具模型，根據(jù)常用夾具金屬材料的物理特性選擇鋁合金材料加工了振動夾具實物，隨后將夾具安裝到振動臺上并按照GJB要求進行了振動試驗，試驗結(jié)果表明該夾具在要求頻率范圍內(nèi)滿足使用要求，可用于機載天線的振動試驗。