某機載雷達艙外設備振動沖擊試驗夾具設計

文 | 蘇州長菱測試技術有限公司 毛成龍 陳俊 王曉輝

某機載雷達艙外設備振動沖擊試驗夾具設計

The Shock and Vibration Test Fixture Design of Airborne Radar Equipment

文 | 蘇州長菱測試技術有限公司 毛成龍 陳俊 王曉輝

為了合理地設計符合振動沖擊環境試驗要求的夾具,根據某機載雷達艙外設備振動沖擊試驗條件及有關振動環境試驗夾具設計規范,對該雷達艙外設備振動沖擊試驗夾具進行了結構動力特性設計。振動沖擊試驗表明:夾具的動態特性滿足了振動沖擊環境試驗夾具設計的要求。某機載雷達艙外設備振動試驗時,加速度譜密度值的控制誤差明顯小于±3dB,完全符合有關振動環境試驗規范的要求，沖擊試驗控制精度也滿足試驗標準要求。因此,該夾具設計是成功的。

Abstract:In order to properly design the fixture of shock and vibration environmental testing, the structural dynamic characteristics design was made according to the test conditions of an airborne radar equipment shock and vibration and the vibration test fixture design criterion. Vibration and shock test showed that the dynamic nature of fixtures met the fixture design requirements of the shock and vibration environmental testing. During the airborne radar vibration test, the PSD value of control error is smaller than ± 3dB, which fully complies with the requirements of standard vibration test and the shock test control accuracy also met the test standards.Therefore, the fixture design is successful.

振動試驗；夾具；有限元；模態分析；試驗容差

Key words:Vibration Test；Fixture；Finite Element；Modal Analysis；Test Tolerance

引言

機載電子設備在使用和運輸過程中會受到振動和沖擊等動力學環境的作用,這種作用常導致電子設備中元器件焊點斷裂、管腳損壞和緊固件松動等故障。這些故障大大降低了機載電子設備的可靠性,產生嚴重的后果。為了確保機載電子設備的安全可靠性,故在裝機前均應按照國軍標進行環境振動試驗,以有效地激發機載電子產品在生產過程中因元器件、工藝和裝配等原因所引起的這類早期故障,提高機載電子產品的可靠性,減少產品的后期維修費用。合理地設計符合振動環境試驗要求的夾具是保證試驗質量的一個關鍵。但隨著試件尺寸和重量的增加，試驗量級的增大，夾具設計的難度也越來越大。在工程實踐中,常常因夾具的動力特性較差引起試件的“過試驗”或“欠試驗”,將原本可以通過振動試驗的試件判為不合格,或將原來不能通過試驗的試件判為合格。理想的夾具應能將振動臺臺面上的振動信號不失真地傳遞到試件上。因此,夾具的固有頻率應盡可能地高,但要高出試驗頻率的上限,通常存在很大的困難。為此，夾具設計規范針對所設計的夾具大小及重量以及其他有關因素,對所設計的夾具的第一階固有頻率下限值,作了相應的規定，對于大型夾具來說，一般要使其一階固有頻率高于試件的一階固有頻率的3～5倍，此要求對大型試驗夾具的設計帶來了新的挑戰。

1 某機載雷達艙外設備振動沖擊試驗要求

某機載雷達艙外設備如圖1所示。長2m，寬0.6m，高3m，重300Kg，通過頂部4個M14的螺栓固定在夾具上，分別進行兩種試驗狀態的試驗，即雷達旋轉與靜止兩種狀態，每種狀態進行三個方向的試驗，試驗采用GJB150.16軍用設備環境試驗方法-振動試驗及GJB150. 18軍用設備環境試驗方法-沖擊試驗的標準。

夾具應滿足如下要求：

圖1 雷達艙外設備外形圖

(1)三個方向第一階固有頻率均大于100 Hz;

(2)重量小于4000 kg;

(3)某雷達艙外設備與夾具安裝后可罩蓋部分可360°旋轉；

(4)振動試驗時控制譜誤差在±3 dB之內，總均方根值不超出±10%；

(5)沖擊試驗控制譜應滿足圖3所示容差要求；

(6)夾具和雷達艙外設備整體重心處于振動臺的軸心。

2 夾具設計

為滿足某雷達艙外設備振動沖擊試驗的要求，同時留有一定的推力余量，振動臺采用蘇州東菱振動試驗儀器有限公司研發制造的ES350-870/LTT2525，其動圈直徑為870mm，32個M12的安裝孔呈米字型分布，最大推力為350KN，垂直方向最大承載為6000Kg，水平臺面為2500mm×2500mm，具體性能指標見表1及表2所示。

雷達艙外設備的安裝點在頂部，試件的工作狀態處于懸掛狀態，對于該類試件傳統的夾具是做一個全封閉的籠式桁架結構，以保證夾具所需的剛度，由于夾具體積龐大，一般采用空心薄壁管以減輕重量，同時由于整體封閉式的結構形式，增加了夾具的制作的難度和安裝使用的難度，同時由于籠式桁架體積較大，重量大，而且剛性很難保證，很難得保證三個方向均達到100Hz以上的共振頻率。

表1 ES-350垂直臺參數

相對于現有技術的籠式桁架夾具結構，本雷達艙外設備振動試驗夾具是采用開放式的整體框架結構，具有結構剛性好，體積小，重量輕，使用方便的特點。如圖2圖3所示，雷達艙外設備振動沖擊試驗夾具，由空心鋼管和鋼板焊接成的一個整體框架結構，雷達艙外設備通過頂部4個M14螺栓懸掛在該整體框架結構內，且可以沿豎直軸線水平轉動360°，該整體框架結構前、后面是敞開的，左右立柱由梯形筋板和空心鋼焊接而成，上方為兩層方形框架和三塊豎筋板焊接而成；垂直方向試驗時通過左右立柱可將整個框架結構與底部的V型擴展臺面相連接，然后通過32個M12螺栓將底部的V型擴展臺面固定于振動臺動圈上，水平方向試驗時直接通過左右立柱將整個框架結構與水平臺面連接。

在設計過程中用ANSYS對其進行結構動力分析。分析時采用10節點solid45實體單元,通過調節夾具的高度、筋的厚度及位置,使夾具的固有頻率盡可能提高。最終夾具長3000mm,寬1100mm,高3800mm,重3500 kg。共有244135個節點, 805795個單元。夾具的實體模型如圖4所示,單元劃分如圖5所示。在夾具底部完全約束情況下,前6階振型如圖6～11所示，其中，第六階振型為垂直方向的一階伸縮，頻率為149.6Hz，大于100Hz，滿足設計要求。同時由于夾具與試件均是對稱的,故整體的重心位于振動臺的軸線上,無偏心。

水平方向試驗時直接通過左右立柱將整個框架結構與水平臺面連接，當試件振動方向改變時,只需將安裝法蘭和試件同時旋轉90°安裝即可,避免了將整個夾具重新安裝，圖12為夾具水平方向一階彎曲振型圖，頻率為287Hz，滿足設計要求。

表2 ES-350水平臺參數

3 夾具測試及振動沖擊試驗

夾具動態響應測試分為兩個方向，即垂直方向和水平方向，試驗時采用夾具頂部四點平均控制，采用正弦掃頻測試條件，10Hz～500Hz，0.1g，1Oct/min，垂直方向及水平方向測試圖譜如圖13及圖14所示，夾具固有頻率測試及仿真結果對比見表3所示。

表3 夾具的固有頻率（Hz）

某雷達艙外設備振動沖擊試驗時安裝情況見圖15所示，同樣采用夾具頂部安裝法蘭螺釘附近的四個點進行平均控制，試驗控制譜如顯示，在整個試驗頻段內，加速度譜密度值誤差明顯小于±3 dB，加速度總均方根幅值誤差也在±2%內。

4 結束語

本文提供了一種大型懸掛式振動試驗夾具的設計方法，整體開放式的框架結構，具有結構剛性好，體積小，重量輕，使用方便的特點，從振動沖擊試驗的控制曲線可以看出，加速度譜密度值誤差明顯小于±3 dB，加速度總均方根幅值及沖擊響應幅值誤差也在±2%內，滿足試驗委托方提出的夾具設計要求，為此型號的雷達艙外設備振動沖擊試驗的順利完成提供了保障，也對同類型產品的力學環境試驗夾具設計提供了參考。

[1] 胡志強,法慶衍,洪寶林,等.隨機振動試驗應用技術 [M].北京:中國計量出版社, 1996.；

[2]《力學環境試驗技術》，編輯委員會編著，西北工業大學出版社。

毛成龍，男，2007年畢業于中國礦業大學工程力學專業，畢業后在蘇州長菱測試技術有限公司一直從事力學環境試驗方面的工作，主管完成了神舟七號飛船、神舟八號飛船、天宮一號及嫦娥三號等高難度重大項目的振動試驗，對試驗夾具的設計有一定的經驗。