某航天閥門產品力學試驗夾具研制與試驗分析

馮盟蛟，張文勝，次永偉，蔡平，張毅

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

引言

各種航天器不斷向著復雜、高性能方向發展，面臨的運輸、裝卸、起落、發射、飛行、分離等過程中誘導產生的力學環境更加嚴酷[1]。為保證其良好的工作性能、精度、安全性與可靠性，航天器力學環境試驗技術成為解決問題的關鍵[2]。其中振動環境試驗是航天器研制過程中的重要試驗項目，其目的一方面是對航天器的結構設計進行驗證；另一方面就是對航天器的制造質量進行環境檢驗，而設計合理的振動試驗夾具與控制策略則是試驗真實性的重要保障，并能夠保證試驗順利進行。振動試驗夾具[3,4]是連接振動臺和試件的過渡裝置，最主要的功能是通過機械連接，將振動臺釋放的能量傳遞給試驗產品。早在上世紀70年代，Klee B J[5]便對力學試驗夾具技術進行了系統的研究，并從夾具類型、材料、設計、制造與測試鑒定等方面進行了全面的闡述，給出了夾具設計、制作、分析的完整流程與方法。在國外，自從工程技術人員將快速傅里葉變換（FFT）[6]、有限元方法、隨機振動及譜分析[7]等理論知識應用在工程實踐中，振動夾具設計顯著發展并制定了一系列的標準和規范，例如美國軍用標準MIL-STD-810B 514.5《振動》[8]。隨著數值分析和計算機技術的飛速發展，三維模擬建模和有限元仿真分析等技術也漸漸被運用于振動夾具的設計分析[9]。目前很多國內的設計人員已經開展了很多的振動試驗的結構設計及優化工作[10-14]。

目前多種運載型號閥門研制試驗過程中屢次發生試驗裝置頻響特性差導致的試驗失敗甚至產品報廢的現象，暴露出力學試驗裝置設計存在嚴重技術短板，也暴露出“重產品輕試驗裝置”這種設計思路的缺陷。力學試驗裝置動態特性的好壞直接影響試驗的可靠性，甚至關乎整個試驗成敗，動態特性差的夾具會出現環境試驗對試驗件的考核處于欠考核或過考核狀態，達不到環境振動試驗考核的真正目的，不利于真實暴露產品的設計和制造缺陷，給產品的研制進程造成極大的障礙，為此夾具投入試驗之前，必須掌握它的動態特性[15]。基于此，本文針對某航天閥門產品，根據閥門產品的振動特性和試驗要求，進行力學試驗夾具的研制設計、動態特性分析、試驗驗證等研究。

1 力學試驗夾具的設計

1.1 航天閥門產品模型及力學實驗條件

閥門產品作為運載火箭增壓輸送系統重要的功能控制元件，對運載火箭飛行試驗成功起著至關重要的作用，在火箭發射飛行過程中，發生的各種故障，會極大降低產品的可靠性和穩定性，給運載火箭的飛行帶來極大的質量隱患。經粗略統計，一發火箭配套閥門產品數量少則8種（22件），多則34種（46件），鑒于運載火箭閥門產品種類眾多，本文主要以排氣閥為研究對象，針對排氣閥的振動試驗，進行力學試驗夾具的研制和試驗分析，圖1所示為排氣閥結構示意圖。

圖1 排氣閥結構示意圖

排氣閥振動試驗包括低頻正弦掃描試驗（條件如表1所示）、正弦和隨機振動試驗（條件如表2所示），該排氣閥產品的X、Y、Z三個方向的一階固有頻率分別為397 Hz、401 Hz、397 Hz。試驗過程中將產品固定在試驗夾具上，按照低頻正弦振動驗收級、隨機振動驗收級的順序依次完成驗收級振動試驗。試驗簡圖如圖2所示。振動試驗時要求控制輸入的振動傳感器安裝在A口a面上，同時在B、C口安裝相應的振動測點b、c。

1.2 力學試驗夾具的設計

1.2.1 力學夾具傳遞特性基本理論

在振動試驗過程中，夾具接受振動臺的激勵，并將這種激勵轉遞給被試件，假如將夾具整體視為一個慣性質量，夾具和被試件之間采用螺栓連接，從動力學的角度來看，任何螺栓連接都可以視為彈性連接，因此，可將系統簡化成如圖3所示。在圖3中，m1為夾具質量；k為夾具與被試件的連接彈簧(連接螺栓)；m2為被試件質量；c為夾具與被試件間的阻尼。

螺栓的彈性系數可用下式計算：

式中：

E—螺栓材料的彈性模量，kg/cm2；

S—螺栓的有效橫切面積，cm2；

L—螺栓的有效長度，cm。

在圖3中，振動臺通過彈簧k和阻尼c轉遞的力作用在一個有限的慣性質量m2上，當振動臺給夾具一個激勵力F0sinωt時，夾具質量(m1)自身的振動幅值x1會隨著激勵頻率的變化按照圖4的規律產生振動。轉遞給被試件質量(m2)的振動（力）是彈簧力kx和阻尼力cωx之合力F1，即：

定義被試件質量塊(m2)上得到的振動力值F1（即夾具的轉遞力）與夾具質量(m1)上的外部激勵力F0之比值，稱為絕對轉遞系數A（或稱轉遞率），轉遞率隨激勵頻率ω的變化狀況見圖4所示。

表1 低頻正弦掃描試驗條件

表2 振動試驗條件

圖2 排氣閥振動試驗簡圖

圖3 夾具與被試件連接簡化圖

圖4 夾具傳遞振動的絕對傳遞率圖

式中：

ωn—無阻尼的固有頻率；

C0—臨界阻尼系數。

在圖4中， f為激勵頻率，即傳遞振動的頻率，fn為夾具的諧振頻率，兩者與傳遞率之間的關系如下：

1）f/ fn＜0.5：傳遞率小于2.0；

2）f/ fn= 1.0：傳遞率達到最大，放大的幅值與阻尼系數ξ成反比；

3） f/ fn＜1.41：傳遞率大于1.0；

4） f/ fn= 1.41：傳遞率等于1.0；

5） f/ fn＞1.41：夾具的振動傳遞率是隨著激勵頻率的增高而減小。

從絕對轉遞系數A的表達式及圖4可知：振動臺給與夾具的激勵能量（力值）與夾具的動力特性相關，只有激勵頻率ω（ω=2πf） 與夾具的無阻尼固有頻率ωn之比小于1.41時，這種轉遞是有效的，當這個比值大于1.41以后，振動臺給與夾具的能量會有部分消耗在夾具的振動上，只有一部分通過夾具轉遞給與夾具彈性連結的試驗件上，ω/ωn的比值越大，消耗于夾具振動的能量就越多，通過夾具轉遞給試驗件的能量就越少。因此，在設計夾具時，夾具的諧振頻率最好是高于0.7倍的最高工作頻率值。

1.2.2 力學試驗夾具模型設計

力學試驗夾具采用的是對稱分布方式，兩側各兩根加強筋保證夾具的強度滿足要求，加強筋厚度為15 mm，選擇夾具的底板厚度為20 mm，中心垂直板的厚度為25 mm，左側底板設置2×4個安裝孔，右側底板設置4個孔位，試驗夾具底板尺寸為550 mm×270 mm，材料選擇鋁合金（牌號LF5），具體結構示意圖如圖5所示。

2 力學試驗夾具結構驗證

2.1 力學試驗夾具仿真分析

2.1.1 力學試驗夾具有限元模型建立

基于力學試驗夾具的三維模型，通過有限元ANSYS仿真軟件，采用實體單元（Solid185單元）建立精細有限元模型（見圖6），該模型共由5 876個單元以及9 271個節點組成，并采用多點約束中的純剛性（Rbe2）連接模擬試驗夾具與振動臺之間的螺栓連接。

2.1.2 力學試驗夾具固有特性分析

模態分析是動力學分析中必不可少的一項，計算出結構的固有頻率和振型，可以了解構件與支撐結構間的相互影響。根據力學試驗夾具三維模型，建立其有限元模型并進行三個方向（X、Y、Z）的模態分析，模態結果如圖7所示，并與產品結果進行對比，具體對比結果如表3所示。

圖5 力學試驗夾具模型示意圖

圖6 力學試驗夾具有限元模型

圖7 力學試驗夾具模態結果

觀察表3可知，產品一階固有頻率與夾具一階固有頻率（仿真結果）之比在0.1 ～ 1.4之間，滿足指標要求，從而進一步驗證了模型結構設計的合理性和仿真結果的可靠性，為后續夾具生產加工提供理論依據。

2.2 力學試驗夾具結構驗證

2.2.1 力學試驗夾具測試過程

根據夾具圖紙進行生產加工后，試驗夾具實物圖如圖8所示，夾具通過螺栓固定在振動臺臺面上，具體方向示意圖及夾具的安裝方式詳見圖8，試驗過程中采用兩點平均控制，控制點粘貼在試驗夾具底座上，測量點粘貼在產品與試驗夾具連接的安裝面上靠近產品法蘭處，對產品三個方向分別施加正弦激勵，激勵條件見表1。

2.2.2 力學試驗夾具試驗結果評定

根據GJB 150.16A-2009中的規定，按照表1所列試驗要求，對產品進行并完成了X、Y、Z 三個方向的正弦掃頻試驗，試驗結果如圖9所示，圖中可見試驗夾具X向、Y向、Z向的一階固有頻率分別為783 Hz、649 Hz、1 180 Hz，其力學特性表如表4所示。

表3 力學試驗夾具特性表

圖8 力學試驗夾具安裝圖及坐標定義圖

圖9 力學試驗夾具三個方向的一階特性

表4 力學試驗夾具特性表

觀察圖9，可通過半功率計算方法進行品質因子的計算，經計算，該夾具在X向品質因子為22.37，Y向品質因子為10.816，Z向品質因子為33.71，對應的阻尼比分別為0.022，0.046，0.015， Y向、Z向的放大倍數為5.68、10.2，夾具的橫向振動比均小于15 %，符合夾具的基本要求。從表4中可見，產品一階固有頻率與夾具一階固有頻率之比的仿真結果和試驗結果相符，且數值均在0.1 ～ 1.4之間可滿足指標要求。因此，本文所研制的夾具滿足性能要求，可用于排氣閥產品的振動試驗。

3 基于力學試驗夾具的航天閥門產品試驗分析

試驗夾具經過驗證符合試驗要求后，按照表2振動條件進行排氣閥產品振動試驗，產品安裝示意圖如圖10所示。

排氣閥產品通過螺栓固定在試驗夾具上，試驗夾具通過螺栓固定在振動臺臺面上，試驗采用兩點平均控制，控制點粘貼在產品法蘭A口與試驗夾具的連接界面上，測量點粘貼在產品法蘭B端面上。X向、Y向和Z向三個方向的振動試驗結果分別如圖11、圖12、圖13所示：圖中control為實際控制曲線；Ref為設定的試驗曲線；Alarm-和Alarm+分別為報警下限和報警上限；Abort-和Abort+分別為中斷下限和中斷上限。

圖10 產品安裝示意圖

圖11 閥門產品X向試驗曲線

圖12 閥門產品Y向試驗曲線

圖13 閥門產品Z向試驗曲線

由圖11～13可知，三個方向在產品低頻正弦振動試驗中控制點實際控制曲線(control)均受控良好，且都在允差允許的范圍內；隨機振動試驗中控制點實際控制曲線(control)也均受控良好，并且都在允差允許的范圍內。因此，可以得出結論：本文試驗結果滿足指標要求，排氣閥產品順利完成力學環境試驗考核，也進一步證明了所研制的力學試驗夾具的合理性和可靠性。

4 結束語

本文以航天閥門典型產品為研究對象，針對航天閥門典型產品的振動試驗特性和試驗要求，進行了產品力學試驗夾具的設計和討論、仿真分析和試驗驗證等工作，并通過仿真結果與試驗結果的對比，驗證了本文試驗夾具的合理性和可靠性，并將此試驗夾具應用在航天產品排氣閥振動試驗過程中，從而保證該閥門產品順利通過了低頻正弦振動和高頻隨機振動試驗的考核，為后續試驗夾具的研制和航天閥門產品力學試驗的順利進行奠定了基礎。