振動試驗下金屬夾具設計優化方法研究

靳永強，劉其廣

（北京航空材料研究院，北京 100095）

1 緒論

近年來由于航空產業的大力發展，越來越多的航空產品呈現出多元化的創新，產品交付也越來越多的趨于成品交付的形式管理。航空產品以成品形式交付需要經過各類考核試驗的驗證，考核試驗要求大多依據GJB150進行[1]。振動是在產品使用過程中，由于產品本身工作或者其它制件運動引起的客觀現象，是一種工程技術領域中經常碰到的問題。振動試驗是考核試驗中的一項重要考核指標，為了保證產品能夠在振動環境中正常工作，在交付使用前，經常用模擬振動考核試驗（簡稱振動試驗）的方式對其進行各種振動環境的模擬考核。因此振動試驗被越來越普遍地采用，同時也發揮著越來越重要的作用[2]。

振動試驗過程應盡量模擬真實的振動環境，采用機體結構進行試驗能夠較真實的反應振動環境。但部分航空產品的尺寸較大，很難找到合適的振動試驗臺或機體結構成本過高，給振動試驗帶來一定的困難。如直升機風擋玻璃單件面積大于1m2，并且其安裝姿態為傾斜的空間立體結構，因此設計振動夾具輔助振動試驗是比較常規的做法。振動試驗過程中，振動載荷將通過夾具傳遞到風擋玻璃上，因此夾具設計是否合理，將直接影響整個振動試驗的可信度，甚至試驗結果的成功與否[3,4]。

振動夾具的主要作用為參考制件的安裝狀態固定制件，和振動臺固定并將振動載荷傳遞到制件上。評價夾具設計主要包括兩個方面：固定產品的方便性與可靠性、振動的傳遞特性[5]。并且一般情況下隨機振動試驗比正弦振動試驗對夾具設計和制造的要求更高也更為嚴格[6，7]。直升機風擋振動試驗為隨機振動試驗，試驗過程中可能出現夾具開裂，變形，振動載荷失真等問題，會對試驗結果和制件交付產生一定的影響。本文針對直升機風擋玻璃振動試驗夾具使用過程中出現的問題，對設計和制造過程中的優化方案進行了研究。

2 問題描述

直升機風擋振動夾具的設計，參考風擋在直升機上的安裝狀態，裝配面、連接方式和安裝角度均和飛機骨架相同。由于風擋為自由曲率的曲面，面積約1m2，水平放置抬高量較大，使用一塊整體料加工的成本費用太高，因此風擋振動夾具的主體和支撐結構，一般采用金屬件拼接結構。

因部分型號要求風擋交付前需進行振動試驗測試，夾具使用的頻率較高，對夾具的壽命提出了較高的要求。該類型的夾具在前期使用中曾經，出現了一些問題：

（1）夾具在多次使用后安裝面和安裝孔變形，造成風擋和夾具貼合變差或安裝孔錯位。

（2）夾具的拼接口位置發生開裂或錯位。

（3）夾具的振動響應疊加放大。

導致以上問題的原因比較明確：即夾具發生變形或開裂主要是由于夾具的強度不夠導致的；振動響應疊加放大主要是由于試驗過程產生共振造成的。針對以上問題，本文從夾具的選材、結構優化、強度優化以及共振分析等方面進行了分析。

3 夾具材料的選擇

夾具材料的選擇是夾具設計和制造的重要組成部分。振動夾具需要長期承受高頻振動載荷，需要較高的強度和剛度。由于直升機的主槳頻率較低，在100HZ以內。夾具的固有頻率應高于主槳的頻率，才可在試驗過程中減少夾具對制件的影響。根據公式fn=使剛度k提高，質量m盡量小，夾具的總的固有頻率fn才能高。夾具材料應盡量選用重量輕和剛度大的材料，即材料的比剛度越大，對夾具設計更有利。表1列出了常用夾具的一些重要物理特性。

表1 常用夾具材料的主要物理特性[5]

經對比常用的材料鋁、鎂和鋼的比剛度比較接近，從比剛度角度比較沒有明顯區別。

直升機的風擋玻璃面積較大（約1m2），為保證風擋和夾具安裝后接近直升機上的安裝狀態，夾具的整體尺寸較大。從重量角度考慮，鋼的密度約為鋁的3倍，鎂的4倍，鋁鎂材料比鋼結構更適合作為夾具材料。同時鋁鎂臺金的阻尼特性也比鋼好。考慮鎂合金價格較高，并且燃點較低，加工和使用過程容易出現火災等情況。因此選用鋁合金作為風擋振動夾具的材料為較優的選擇。

4 夾具強度和剛度

制造的夾具的材料確定后，能夠影響夾具強度和剛度的主要為，材料的截面尺寸、夾具結構以及制造工藝方案。本文初步設計的振動試驗夾具，包含裝配面、支撐結構、平臺連接結構等，如圖1所示。本夾具主要考慮的裝配面和制件的連接關系。試驗過程中，支撐結構和裝配面以及平臺連接面之間的連接部，出現了不同程度的裂紋，該現象表明連接部位強度不夠。試驗過程中夾具上部的振動響應幅值，出現了明顯大于設定值的情況，該現象表明，夾具的結構剛性不夠。

圖1 初步設計的振動夾具示意圖

4.1 焊接性能優化

由于鋁的焊接工藝性相對較差，采用不同的工藝和焊接方式，對焊接強度具有較大的影響。為提高夾具焊接位置的強度，本文做了如下優化研究。

影響焊接質量的主要因素：焊接表面質量、焊接間隙、鈍邊尺寸和坡口角度等。

焊接間隙：焊接間隙過小時焊縫不容易焊透，焊接間隙過大時增加焊接的難度，填充量大影響焊接進度，增加焊接應力，容易產生焊接變形。

鈍邊尺寸：鈍邊尺寸過小容易贊成燒穿，鈍邊過大容易造成未焊透。

坡口角度：坡口角度過大只是會造成填充金屬增多，焊接時間變長，影響經濟效益。并且會增大焊接的變形。坡度較小的為題熔深不足，容易造成夾渣，從而降低焊縫的強度。

因夾具的毛坯焊接完成后，在進行裝配面和安裝孔的加工。焊接過程造成的變形，對夾具的最終外形產生的影響較小。因此如需增加焊接強度可增大鈍邊尺寸和坡口角度的方式，提高焊接強度。

考慮上述要求，考慮兩側焊接的對稱性，本文對焊縫對接面由平面更改為約90°角的V型缺口，即兩側的坡口角度都為45°，鈍邊尺寸也相應增大。按此方案進行了驗證，對制造的效率和經濟效益有一定的影響，但明顯可以提高焊接的強度。工藝優化后，焊接強度由材料本體強度的約65%，增加到材料本體強度的85%以上。

因此采用焊接的方式對夾具的各個組成部分進行連接，需充分考慮鈍邊尺寸和坡口角度對夾具強度的影響。采用平面對接的焊接方式，容易產生開裂問題，采用V型坡口角度，可有效緩解該問題。

4.2 結構強度優化

圖1振動夾具的下部支撐結構主要為支撐上部裝配面，支撐結構主要為豎向的立柱，該結構有利于夾具在垂向振動中具有較好的穩定性。但夾具在進行橫向和側向振動過程中，支撐結構與上部裝配面連接部分會產生較大的橫向力。由于夾具高度大于1m，僅底部連接振動臺，在橫向和側向振動過程中，造成頂端振動響應增大。因此提高夾具的強度和剛度，是解決夾具破壞的主要方式。常規的提高夾具強度和剛度的方法主要有，選用較高強度的材料；增加材料的厚度提高強度；通過結構增加夾具的強度和剛度。

在夾具選材一定的情況下，本文通過增加材料厚度和增強夾具的結構等方式對夾具的強度和剛度進行了研究：

振動試驗夾具在試驗過程中需分別承受橫向、側向和垂向三個方向的載荷，原夾具結構中，主要為垂向支撐，橫向和側向加強較少，造成夾具結構存在缺陷，影響整體的強度和剛度。

本文通過以下方面對夾具結構進行優化。

（1）增加夾具橫向和側向加強筋的厚度。厚度增加后，加強筋的強度增加，焊接接觸面的面積增大，有利于提供夾具整體強度。

（2）增加夾具橫向和側向加強筋的寬度。寬度增加后，夾具的整體剛度提高。

（3）各豎向立柱之間設計連接結構，提高夾具的整體剛性。

夾具結構如圖2所示。

圖2 增強后的夾具結構示意圖

5 共振響應分析和剛度優化

夾具固有頻率的分析和計算在夾具設計中占有很重要的地位，要保證夾具本身在試驗過程中盡量不影響產品試驗。因此振動夾具的最低固有頻率盡量遠離振動試驗頻帶。根據具體的問題夾具振動頻率的范圍，設計中要遠離規定一些規定的頻率點，并盡力提高其自身的固有頻率[8]。

夾具的材料和結構確定后，固有頻率為其確定的屬性。為保證振動夾具盡量不影響制件的振動響應，參考直升機風擋振動試驗的要求，夾具的固有頻率應遠離主槳振動頻率，以免引起振動疊加，造成試驗失真。本文通過計算仿真的形式，對夾具進行掃頻分析，以確定夾具的固有頻率。參考夾具的固有頻率和試驗要求中的主槳頻率，對夾具結構進行設計優化，從而保證夾具固有頻率遠離主槳振動頻率。

參考本文4.2的優化要求，對某型直升機風擋振動夾具按進行強度和剛度優化，逐步增強夾具的支撐結構，并對夾具三個方向在0～500HZ范圍內，進行掃頻振動仿真分析，根據其最大位移情況，分析夾具剛度的提高量。并對比夾具的固有頻率是否遠離主槳振動頻率。圖3為橫向掃頻分析中，位移云紋圖。經逐步優化，夾具結構剛性提高5倍后，三個方向的固有頻率理論值分別為：U1=276HZ；U2=246HZ；U3=276HZ。根據主機單位提供的試驗要求，主槳頻率在20HZ～80HZ范圍內，設計夾具的固有頻率遠大于直升機的主槳頻率。夾具剛性明顯提高，固有頻率對試驗影響較小。

圖3 橫向振動掃頻位移結果圖

6 試驗驗證

按照設計方案進行夾具制造，并根據GJB150A的要求，對夾具進行試驗載荷的驗證。振動試驗臺設備型號：DC-16000-160。掃頻分析結果如圖4所示。

圖4 三個方向掃頻檢查曲線

經驗證夾具的固有頻率與計算結果接近。考慮夾具的制造偏差，仿真計算和試驗驗證的情況基本吻合，夾具的固有頻率遠離主槳頻率。對夾具進行耐久振動試驗，幅值曲線均可控制在3db范圍內。振動試驗結束后夾具的外觀完好，焊縫無開裂情況發生。設計的夾具經驗證滿足使用要求。

7 結論

本文針對振動試驗夾具在使用過程中產生局部開裂，振動相應增大的問題進行了分析。并對該類振動試驗夾具加強方案進行了研究。得到的主要結論如下：

（1）振動試驗夾具的制造選用鋁合金相對較優。

（2）夾具開裂的主要原因為：連接部位的焊接質量；夾具的橫向和側向的強度和剛度不足。

（3）分析了提高夾具的強度和剛度的主要因素，提出了夾具的加強方案；經仿真分析和試驗驗證，提高夾具強度和剛度的方案可行。

（4）對振動試驗夾具設計和制造過程中，需考慮和驗證的主要因素，具有一定參考價值。