某導彈艙段振動試驗夾具設計與分析*

羅立生，皮志超 ，孫 濤 ，史治宇

(1.國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003；2.上海航翼高新技術發展研究院有限公司，上海 200082；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

航空產品如導彈在使用中承受著加速度、氣動和聲壓等多種復雜環境振動激勵，振動試驗是檢驗產品可靠性、耐久性的有效手段[1-3]。成功有效的振動試驗與振動夾具的動態特性密不可分。目前國內還沒有完善的振動試驗夾具設計規范和技術標準，對于機載電子產品，文獻[4]給出了基于圣地亞實驗室的振動夾具設計規范；對于機載外掛產品，一般籠統要求夾具的一階固有頻率大于產品一階固有頻率的 3倍～5倍[5]。文獻[6]闡述了導彈艙段類振動試驗夾具的設計方法，應用復合材料改善了夾具的固有頻率和阻尼特性。范東林等對比了整體制造和螺栓連接兩種方式制造的某型導彈前艙振動夾具的第1階固有頻率，得出整體制造夾具基頻比螺接方式夾具的基頻高出約28%[7]。

本文針對某導彈艙段振動試驗夾具的設計要求，根據GJB150.16A振動試驗和機載外掛產品振動夾具動特性要求，設計了用于20 Hz～2 000 Hz隨機振動試驗的夾具結構，并應用商用軟件對夾具結構進行了有限元分析。

1 產品及試驗條件

1.1 產品介紹

某導彈艙段為帶圓錐雷達罩、后端圓柱的結構，其最大外形尺寸為Φ220 mm×1 000 mm，質量約為32 kg，質心位置大致在距離最前端700 mm處，如圖1所示。導彈艙段右端尾部沿圓周有8個Φ11 mm的孔用于與彈體連接。艙段結構的第1階固有頻率為116.94 Hz。

圖1 某導彈艙段

1.2 試驗條件

振動試驗要求導彈艙段懸臂安裝，進行垂直方向的隨機振動試驗，施加的功率譜密度曲線如圖2所示，其加速度均方根值為6.018g，振動試驗時間為10 min。

圖2 加速度功率譜密度曲線

振動試驗采用的電動振動臺系統型號為DC-10000，振動臺參數如下：額定激振力為54 kN，頻率范圍為2 Hz～2 500 Hz，動圈質量為40 kg，垂直擴展臺質量為70 kg，擴展臺臺面連接孔尺寸如圖3所示。

圖3 擴展臺臺面的連接孔尺寸示意圖

2 振動夾具設計

2.1 振動夾具設計要求

性能優秀的振動夾具能夠將振動臺的機械能不失真地傳遞給產品，從而最大程度地還原產品的工作環境。但如果夾具的傳遞性不佳，則會對試驗產品產生“過試驗”和“欠試驗”問題。對于外掛產品，振動夾具設計一般遵循以下規則：①振動夾具的最低階頻率應大于產品第1階頻率的3倍以上；②在試驗頻率范圍內，振動夾具應避免與產品發生耦合共振[8]；③振動夾具與產品不同裝夾處的正交性運動系數要小于1，并且響應偏差要小于±100%；④振動夾具應選用比剛度大、阻尼大的材料；⑤振動夾具能方便與振動臺面及試驗件連接等。

2.2 振動夾具設計流程

振動夾具的設計主要分為夾具最大質量預估、夾具初步設計、夾具與試驗產品質心計算、夾具有限元建模和分析[9]這4個步驟，設計流程如圖4所示。

圖4 振動夾具設計流程

由于振動臺額定推力的限制，最大允許夾具質量可根據振動臺推力和試件質量來估算，即：

(Mf+Mt+Ma)a≤F.

(1)

其中：Mf、Mt和Ma分別為夾具、產品和動圈的質量；a為正弦加速度峰值或隨機振動加速度的均方根值；F為振動臺的最大推力。

2.3 某導彈艙段振動夾具設計

考慮到導彈艙段的懸臂安裝方式以及試驗安裝的方便性，將夾具設計成兩部分組合，其結構如圖5所示。圖5(a)的底座與振動臺面連接，圖5(b)的轉接頭沿圓周均勻分布設計8個M10的螺釘孔與導彈艙段連接，方形板與圖5(a)的底座通過螺釘連接。整個夾具采用鑄鋁成形。

圖5 夾具結構

試驗夾具總質量為34 kg，小于按式(1)計算所得的最大質量限制，質心位于縱向距離最前端123 mm處；導彈艙段的質量為32 kg，質心位置為縱向距離最前端459 mm處。計算可得兩者的組合質心距離夾具最前端的距離為285 mm。依據計算結果可確定振動夾具與振動臺面中心的連接孔位置，從而確保裝配后夾具與產品的總質心落于振動臺面中心，如圖6所示。

圖6 夾具與導彈艙段組合質心位置

3 振動夾具的動力學分析

3.1 振動夾具的模態分析

模態分析是振動夾具設計的一個關鍵環節，通過模態分析可以快速獲取振動夾具的固有頻率，并初步判斷夾具與產品是否出現共振現象。模擬夾具固定于振動臺面上，應用MSC/Nastran進行有限元建模和模態分析，可得夾具的固有頻率和振型。表1為夾具振動試驗2 000 Hz范圍內的前4階固有頻率，前4階模態振型如圖7所示。

圖7 振動夾具前4階模態振型

表1 振動夾具前4階固有頻率

由計算結果可知：振動夾具的第1階固有頻率為891.23 Hz，能保證大于導彈艙段第1階頻率116.94 Hz的3倍以上，并且與產品沒有共振峰，符合對夾具結構固有頻率的要求。

3.2 振動夾具的頻響和隨機響應分析

為了進一步獲得夾具與產品夾持處在振動試驗下的具體響應情況，應用有限元軟件中的頻響和隨機響應計算模塊對夾具進行隨機響應分析。計算得到如圖5(b)所示的上下左右四個孔邊加持處的加速度響應均方根，依據隨機響應結果可進一步計算夾具裝夾處的正交運動特性以及多個裝夾處之間的響應偏差，見表2。

由表2可知：振動夾具Y方向激勵時，產品裝夾處X向正交性運動系數最大為0.743，平均值為0.421；產品裝夾處Z向正交性運動系數最大為0.738，平均值為0.363。Y向四個裝夾處之間的相互偏差最大不超過0.54%。

表2 監測點加速度響應均方根、正交性系數及相對誤差

通過對振動夾具的頻響和隨機振動響應計算，可知振動夾具正交性運動系數和裝夾處間的允許偏差等傳遞特性都滿足振動夾具的動態設計要求。

4 結論

本文根據某導彈艙段產品參數、振動試驗和振動臺參數以及振動夾具的動態設計要求，依據振動夾具設計流程，設計了其隨機振動試驗的夾具結構，應用商用有限元軟件建立了夾具的有限元模型，并進行了模態、頻響和隨機振動響應分析。由計算數據可知：①振動夾具的第1階固有頻率為891.23 Hz，大于導彈艙段基頻3倍以上；②夾具的頻響函數基本平坦，與產品沒有共振峰；③夾具與導彈艙段裝夾處的正交性運動系數最大不超過0.746，相互偏差最大不超過0.54%。結果顯示夾具具有優良的動態傳遞特性，能夠滿足振動試驗要求。