某機載設備振動夾具設計及試驗驗證

王勇，寧會峰，杜尹學

(1. 蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州萬里航空機電有限責任公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

飛行器、艦船、車輛等運載工具上的設備都在多種復雜的環境條件下運行。以飛機上的設備(簡稱機載設備)為例，工況中存在著機械振動、沖擊、噪聲、低氣壓、鹽霧等幾十種環境因素，這些因素會縮短產品的使用期限并降低其可靠性[1]。而其中的機械振動環境，由于其作用的持久性和所帶來后果的嚴重性，加上本身具有的復雜性，使其成為運行條件中相當重要的一種使用環境[2]。由于不能在現場對產品開展真實的振動測試，為保證產品后期的正常交付使用，模擬振動試驗也就成為了一種評價結構是否達到預定功能和可靠性的有效方法。在進行振動試驗時，被測試件常常通過振動夾具裝夾到試驗臺面上，作為傳遞能量和信號的關鍵部件，其裝夾的夾具性能會直接影響到試驗結果的有效性和真實性[3]。

傳統設計多依靠經驗或者根據實際試驗結果對夾具進行多次返修，整個過程會造成人力和物力的不合理分配。本文根據某型號直線作動器(圖1)的外形結構和實際使用時的安裝及工作狀態，從夾具的兩種不同結構形式出發，采用建模仿真與試驗驗證相結合的方式，設計了一款滿足試驗要求的振動夾具。

圖1 某型號直線作動器

1 振動夾具的結構設計

1.1 設計原則及材料選取

在振動試驗中，振動夾具的作用是將振動臺的能量通過機械連接不失真地傳遞給試件，并盡可能保證試件上各個點的振幅與振動臺一致。實際試驗的情況中這一點很難實現，只要傳遞誤差在可允許范圍內，則可認為夾具設計是合理的。試驗結果是否具有可信度與夾具的設計、制造以及安裝使用水平都是密不可分的[4]。

夾具設計原則是在滿足實際安裝條件的前提下，盡可能具有低的質量和高的強度。結合夾具設計原則[5]，針對該型機載作動器，在設計時應考慮以下幾點：

1)夾具的1階固有頻率要盡量高于試驗頻率的最大值2000Hz；夾具的響應特性要平坦，保證連接面上各點的響應盡可能一致，實現振動輸入的均勻性。

2)夾具的質量應該在4kg～6kg范圍內。為減少試件對振動臺的反共振，在不影響剛度和頻率的條件下，最大限度地降低夾具質量。

3)夾具的橫向振動(垂直于激振方向的運動)應盡量小。

4)結構選用質心低、對稱形式，方便產品的安裝以及與臺面的連接，能正確模擬試件的實際邊界條件。

5)夾具共振時，其品質(放大)因數≤4，以保證夾具良好的振動傳遞特性。

為確保所設計夾具結構的合理性以及具有良好的動態性能，應該從夾具的剛度、質量、固有頻率等特性參數方面進行研究。可從剛度K和質量M入手，來提高夾具的固有頻率。因K正比于材料的彈性模量E，M正比于材料的密度ρ，因此應該盡可能提高E/ρ的值。目前常見的夾具材料[6]物理特性如表1所示。

表1 夾具常用材料的物理特性參數

從表1可以看出，鎂、鋁合金與鋼的比剛度在數值上差別不是很大，從質量角度出發，鋁合金密度較小，價格便宜，也更易于加工。因此本文夾具采用鋁合金。

1.2 不同加工方式下的結構設計

根據產品規范中所要求的振動試驗條件以及振動夾具設計原則，在分析該型作動器外部結構和試驗平臺性能的前提下進行了夾具結構的初始設計，擬采取兩種設計方案，如圖2所示。

圖2 鑄造和螺接兩種加工形式

方案一：整體結構鑄造而成，底板上的沉頭孔用于固定夾具在臺面上，兩處凸臺部分用來固定產品的兩端。一處作為作動器接頭的安裝位置，該處凸臺的中間位置有長25mm、寬6mm、深度28mm的槽，其尺寸由接頭尺寸決定，安裝時將接頭放置在槽中，通過螺栓完成固定；第二處安裝位置不僅要中間開槽，為保證試驗過程中作動器能夠具有一個完整工作行程，還要考慮在兩側設計合理尺寸的滑槽。

方案二：夾具由獨立的4部分通過螺釘安裝到一起，其安裝試件位置的尺寸與方案一相同，與方案一相比不僅有更好的通用性，加工周期也短。

為了避免金屬間的直接摩擦，且有更好的支撐性，需要設計與滑槽尺寸相匹配的尼龍支撐套，通過螺釘與夾具完成裝配，如圖3所示。

圖3 尼龍支撐套及其安裝位置

2 模態分析與隨機振動分析

2.1 模態分析

在ANSYS Workbench中對夾具模型進行網格劃分以及后續的仿真分析。所選材料為ZL101合金，其材料特性為：E=7.0×1010N/m2；泊松比μ=0.33；密度ρ=2.68×103kg/m3。方案一夾具的網格劃分如圖4所示，有限元模型選擇四面體單元；對方案二的夾具結構進行同樣操作。

圖4 夾具的網格劃分

將ZL101合金的相關物理參數賦予模型。由于高階模態的影響在產品實際工作中可以忽略不計，應重點考慮產品低階模態對其振動響應的影響[7]。通常分析前6階模態就可以滿足使用要求，兩種加工方式下振動夾具的前6階固有頻率見表2，前2階模態振型如圖5、圖6所示。

圖5 第1階與第2階模態振型(鑄造)

圖6 第1階與第2階模態振型(螺接)

表2 前6階固有頻率 單位：Hz

整體鑄造方式加工的夾具1階固有頻率2 219.1Hz，高于試驗要求的最高頻率2 000Hz；螺接形式下為1 872.8Hz，這個頻率在試驗頻率范圍內可能會出現對輸入譜的不確定放大。由于單耳組件安裝位置處的尺寸較小，兩種結構形式下模態振型都表現為y方向上的搖擺，并且越靠近頂端其振動位移越大。考慮到后期裝配使用時,由于單耳安裝位置處銷軸、軸套以及螺母的固定能夠使得局部剛度變大，固有頻率也會相應得到提升。通過求解總裝結構的模態發現，其中鑄造成型的夾具1階固有頻率變為2 389.8Hz，相較之下提高了170.7Hz；最大變形減小了41.87%。

2.2 隨機振動分析

隨機振動分析是指以特定的功率譜密度(PSD)作為仿真分析的輸入條件，最終計算響應特定值出現概率的一種分析方法，可用于在設計階段通過隨機振動仿真分析評估結構的動態特性[8]。振動試驗由功能試驗和耐久試驗兩部分組成。以功能試驗譜為例，試驗圖譜如圖7所示，量值表見表3。經計算得加速度方均根理論值為4.949g。

圖7 振動試驗譜

表3 振動試驗量值表

加載如圖7所示的激勵譜，觀察夾具3個方向的變形；選取安裝位置處A點，如圖8所示，看該點響應在要求頻率范圍內的振動是否平穩，對振動量級的放大效果是否在允許范圍內。

圖8 響應點選取

表4為響應點A的3方向方均根值。從表4可看出，兩種形式下的響應方均根值均在理論值附近。將鑄造加工時A點3個方向響應譜的方均根值與理論值(4.949g)相比誤差更小，但響應點處的方均根值并不能直接表征傳遞特性的優異程度，還應結合該點輸出的功率譜密度。通過比較兩種加工方式下A點的3方向響應譜得出：鑄造加工形式下，該點的3方向響應譜型更具有一致性，說明其振動輸出的均勻性較好，而且越靠近頻率中段，夾具的傳遞特性越好；當夾具為螺接形式時，A點的3方向響應譜均出現了不同程度的失真，尤其在試驗頻率中段，這是由于螺栓連接不能很好地限制各部件之間的相對運動。因此，在沒有裝夾被測試件的情況下，鑄造形式的夾具能夠做到將振動激勵平穩、不失真地傳遞給試件。

表4 響應點A的3方向方均根值

鑄造加工時，在隨機載荷下變形最大為0.001 2mm，最大應力出現在輸出端銷軸中間位置，3σ應力大小為1.62MPa，說明在隨機振動中材料所受的最大應力>1.62MPa的概率為0.27%，遠小于材料的屈服極限355MPa，夾具強度安全裕量較大，結構滿足振動要求。響應加速度最大值17.12g，與功率譜密度的方均根理論值(A0=4.949g)比值約為3.46，品質因數Q<4，夾具設計也符合傳遞要求。

比較加速度響應譜還可以發現，螺接形式的夾具A點處3個方向的響應譜在頻率1 800Hz附近時均出現了對輸入不同程度的放大，最大值為67.563g，遠超了規定的品質因數要求。由于模態振型表現為該方向上的擺動，螺栓連接很難限制各部件間的相對運動，容易造成波形出現“毛刺”畸變。若存在工期限制或其他原因必須采取螺接形式的夾具，則可從配合面的精度等級和連接部分螺栓的預緊力兩個方面來改善其傳遞性能。

通過比對仿真結果可看出，鑄造形式的夾具結構動態特性優于螺接，強度也滿足使用要求。結合車間的加工水平，選定以鑄造完成夾具的加工。

3 加工與試驗

加工組裝完成的夾具如圖9所示。整體結構呈對稱形式，其3個方向上的最大尺寸為316mm×195mm×107mm；夾具質量5.66kg，質心在豎直方向24.083mm處，靠近振動臺面。

圖9 組裝完成的振動夾具

夾具加工完成后，通過分布在安裝面上的沉頭螺栓實現與振動臺面之間的固定，并保證夾具底面與振動臺面的良好接觸，將被測作動器安裝到夾具上，如圖10所示。

圖10 y軸振動試驗安裝圖

根據該機載作動器的技術要求在某電動試驗臺完成試驗，通過安裝在試件上的加速度計傳感器反饋的功率譜密度驗證夾具設計的合理性。圖11所示綠色直線為理論譜線，藍色持續振蕩的為響應譜線。從圖中可看出夾具在試驗頻率范圍內能夠真實模擬試件的邊界條件并平穩地傳遞振動信號，對振動量級的放大效果在±2σ范圍內，同時響應譜的加速度方均根值為4.969g，與理論值誤差為0.40%，夾具滿足使用要求[9](本刊為黑白印刷，相關疑問可咨詢作者)。

圖11 響應點處的功率譜密度

4 結語

本文針對某機載作動器的邊界和試驗條件完成了夾具的建模，基于有限元仿真結果加工了夾具實物，隨后進行作動器的振動試驗，得出以下結論：

1)在工期不受限制及結構允許時，小型直線作動機構的夾具可優先采用整體鑄造形式，其傳遞特性優于螺接；

2)通過有限元仿真可在振動夾具設計過程中評估其動態特性，實際的試驗結果也驗證了該方法的科學性與真實性；

3)本文所設計的專用振動夾具，其質量靠近約束范圍的上限值，而且底板的剛度余量充足，可在以后同類型夾具設計時引入優化方法獲得相關尺寸的最優組合。