振動試驗夾具設計優化及模態分析

劉新勝，徐 璐，王 萍，馮 超，張雅卿，張云濤，張 凡，王洪巖

(中國北方車輛研究所，北京 100071)

工作在各類運載工具上的軍用電子產品，在壽命周期的各個階段，要直接或間接經受各種自然環境和平臺振動和沖擊激勵環境的影響，因此電子產品對環境的適應性的優劣直接影響到車輛的性能和功能。為確認評估電子產品在真實機械振動、沖擊環境應力中是否可靠，一般的做法是在環境試驗室模擬振動、沖擊試驗。在振動試驗時，振動臺動圈、臺面、夾具與試件構成一個動力學系統，夾具在試驗中發揮著將試件與振動臺相連接并實現載荷傳遞的重要作用，夾具的特性對于振動響應的影響顯著[1]，關系到試驗能否順利實施，因此要求夾具在試驗的頻率范圍內具有良好的傳遞特性[2]，傳遞振動臺的激勵不失真。為此，有必要對振動試驗關鍵環節的振動臺夾具設計進行分析研究[3]，但對于生產類型多、邊界條件較復雜的試件，依據經驗設計夾具就無法滿足要求[4]。

本文以某型產品通用振動夾具為研究對象，基于三維軟件進行夾具的實體建模，并對其進行了模態分析，得到夾具的固有頻率和振型，對原夾具進行材料、結構等多維度的優化設計，使其滿足產品的試驗要求[5]。

1 振動夾具的設計

理想狀態下振動夾具能夠使電子產品的力學參數不失真地、合理地傳遞到電子產品上[6]。但是，不合理設計的夾具也會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”，進而直接影響到試驗結果的評判[7]。對于振動試驗的夾具設計，目前尚沒有該類夾具設計的國家標準，工程人員遵循的一般設計原則是：夾具的第1階固有頻率應高于試驗產品第l階固有頻率的3～5倍[8]，以減小或避免夾具在試驗頻譜范圍內產生共振耦合；夾具的阻尼要大，增強改變振動幅值效果；夾具垂直于激振方向的橫向響應要盡量小；波形失真小。

裝甲車輛電子產品結構類型也較多，這其中以中小型試件為主，這對于小型、簡單夾具是容易做到的，但對于通用型中大型復雜夾具則是困難的，甚至是不可能的。為了滿足5～500 Hz的試驗頻率范圍，夾具設計和計算時，其第1階頻率應高于最高試驗頻率，以避免發生夾具與試件的共振耦合。因此，對振動夾具的設計應根據試驗對象的分類不同采用不同的方法[9]。

1.1 材料的選擇

振動夾具常用的金屬加工材料為鋼、鋁合金、鎂合金等，盡量選用比剛度大、阻尼大的材料，整個振動頻率試驗范圍內，夾具的頻響特性應平坦，無明顯的諧振峰值。常見的幾種材料的物理特性見表1。

表1 常用振動夾具材料的主要物理特性

由于常用的金屬的E/p值接近，改變金屬材料不會明顯改變夾具的頻率特性[10]，主要考慮夾具質量盡量輕以滿足振動臺推力限制，振動阻尼要大。因此，質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金屬之一，其密度較小，阻尼特性比鋼要好，同時鋁合金材料質量輕，價格便宜，也更易于加工。與同質量的鋼件相比，通過合理的結構設計可有效提高夾具剛度。

1.2 夾具固有頻率要求

固有頻率是評價夾具動力學性能的重要指標[11]。當夾具發生共振時，輸入和輸出將不再保持相同的值，而且夾具上各個點的運動參數也不相同，這樣就對振動試驗產生了影響[12]。裝甲車輛電子產品等中小型試件的振動試驗中所使用的夾具應為剛性夾具，目的是確保不失真地傳遞運動載荷，就是指在試驗頻率范圍內不發生共振。

各種文獻對柔性夾具固有頻率的設計要求并不統一，比較有代表性的是要求夾具的第1階固有頻率大于試件第1階固有頻率的3～5倍，秉持這個要求的相關文獻將夾具、試件簡化為二自由度模型，研究表明當夾具的基頻大于試件基頻的3～5倍時，夾具對載荷的傳遞接近1∶1。實際上，試件與夾具是復雜的多自由度系統，系統在載荷頻率范圍內存在多階模態頻率，與簡化的二自由度模型有很大的差異。二自由度模型無法真實地模擬多自由度系統的動力學特性及響應，因此也難以基于該模型對夾具提出符合實際的要求?；\統地要求夾具的基頻大于試件基頻的3～5倍是不合理的，對于大型試件也往往是無法實現的。

因此，無論試驗對象是什么結構類型，都是希望夾具的固有頻率盡可能高，在試驗頻率范圍內不發生共振，其實質都是要求夾具的第1階固有頻率最大化。該要求對于試驗頻率上限為幾百Hz的小型夾具是可以做到的。

1.3 夾具的結構設計

夾具的種類繁多，差別很大，有平板型、立方體型、L型和T型等多種類型。GJB 150.16A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法：振動試驗》標準中規定：試件的技術狀態應與工作使用時一致，用于壽命周期內工作使用時相同類型的固定裝置，把試件固定在試驗夾具的安裝部位上。

隨著裝甲車輛的電子產品交付數量逐漸增多，不同試驗產品結構類型也較多，這其中以中小型試件為主，進入批產試驗階段，根據試件尺寸、形狀和工作時的安裝方式來選擇夾具類型。為減少夾具數量，要求夾具可完成不同型號、適用不同結構尺寸試件的振動試驗。

現有的夾具是一種通用型，夾具的外形尺寸為500 mm×450 mm×400 mm，主要包括底板、垂直于平板的前后框、2個側支筋板，底板上8個螺釘孔用于固定夾具體到固定座上，夾具的材料為A3鋼，采用焊接法完成加工。

2 夾具仿真分析及優化

2.1 夾具改進前的模態分析

在三維設計軟件確定振動夾具模型后，通過仿真分析對振動夾具進行模態的分析，計算夾具的固有頻率及振型，找到夾具的振動及受力薄弱環節并對其進行優化，從而得到滿足要求的夾具。因產品低階模態對其振動響應較大，需要重點考慮，高階模態的影響在產品實際工作中可以忽略。本文主要分析夾具的前6階固有頻率和相對應的振型，然后針對性地對現有結構改進。首先完成了實體建模，因模型的準確性直接關系到分析的可行性和結果的準確性，在系統資源允許的情況下，未對模型簡化處理，僅去除了用于部件安裝的螺紋孔。網格的劃分有效反映了原幾何形狀，采用標準形式劃分，夾具材料的特性為普通鋼，彈性模量、質量密度見表1，劃分有限元網格的夾具如圖，網格單元數為11 154，邊界條件的設定為夾具的8個用于固定的光孔，因此對夾具的8個光孔施加幾何固定約束。振動夾具前6階的共振頻率見表2，仿真模型網格劃分如圖1所示，第1～4階及第6階模態振型如圖2～圖6所示。

表2 振動夾具的前6階固有頻率

圖1 振動夾具仿真模型網格劃分

圖2 第1階模態振型

圖3 第2階模態振型

圖4 第3階模態振型

圖5 第4階模態振型

圖6 第6階模態振型

由分析可知，振動夾具的第1階固有頻率121.53 Hz小于環境振動試驗的要求。夾具的第1階振型主要為垂直于平板的前后框頂部的前后變形，第2階振型為頂板及框架的左右變形，第4階振型為頂板及框架的左右變形。對上述可能出現的諧振的位置需要加強優化。

2.2 夾具改進后的措施模態分析

為了提高振動試驗夾具的固有頻率，對夾具嘗試如下幾個方面的設計改進：1)改變材料，夾具的材質由普通鋼改為鋁合金；2)增加剛度，底板的厚度由20 mm增加至40 mm，前后框底部中心安裝筋板，2個側支筋板做加厚及優化結構處理，同時加厚前后框，固定底板的螺栓由8個增加到16個幾何固定點約束，模擬試件實際使用狀態下的連接條件；3)降低高度，在滿足現有夾具通用性要求的前提下，夾具的高度由500 mm降低至360 mm，改進后整體尺寸為360 mm×450 mm×450 mm。組合運用上述改進措施后進行模態仿真，計算出夾具的固有頻率，劃分有限元網格的夾具圖，網格單元數為35 069。振動夾具前6階的共振頻率見表3，仿真模型網格劃分如圖7所示，第1～4階及第6階模態振型如圖8～圖12所示。

表3 改進后振動夾具的前6階固有頻率

圖7 優化后振動夾具仿真模型網格劃分

圖8 優化后第1階模態振型

圖9 優化后第2階模態振型

由表3分析后可知，組合運用改進措施后，夾具的固有頻率提升明顯，第1階固有頻率516.78 Hz滿足試驗要求，研究發現，改變夾具材料不能明顯提高固有頻率，提高固有頻率主要在于提高夾具底板及2個側支筋板的剛度及降低高度。

圖10 優化后第3階模態振型

圖11 優化后第4階模態振型

圖12 優化后第6階模態振型

3 結語

振動試驗是環境試驗的重要組成部分，夾具在振動試驗中發揮著極為重要的作用，不合理的夾具設計、制造及安裝使用容易產生“過試驗”與“欠試驗”，用仿真去驗證設計，在設計中通過仿真更進一步優化材料、結構、剛度、模態等多方面設計，具有較好的工程應用價值，是滿足產品的試驗要求，提高振動試驗夾具設計質量的有效手段。為完成更多產品的試驗任務，又建模仿真分析了可拼接組合方式的立方體夾具，主體夾具選擇六面體結構，用于連接附屬子夾具與振動臺底座并把振動量值傳遞給子夾具，子夾具用于固定各試件。后續完成振動夾具從理論到工程實踐，驗證實際效果，提高工程應用價值，保證振動試驗的順利完成。