魚雷電子組件振動試驗夾具的設計＊

（中船重工集團第七〇五研究所 西安 710075）

1 引言

魚雷電子組件在運輸、試驗過程中要經受較嚴酷的機械環境，振動、沖擊等機械負荷常常引起元件失效、材料疲勞損換，造成電子組件故障。為了檢驗產品在真實環境下工作情況，產品需要進行振動等試驗。主要手段是在通過振動試驗等應力測試試驗，向電子組件施加外力載荷，或者模擬試驗的環境載荷條件，分析電子組件的關鍵部位的頻率響應情況，為合理的元器件布局設計、組件結構設計和殼體結構設計提供依據。因此振動試驗是結構設計分析及驗證的重要環節，振動試驗的方法關系到試驗的正確性與準確性，必須加以重視。

研究振動試驗方法是進行振動試驗的最重要的組成部分。而夾具在振動試驗中發揮著極為重要的作用。振動試驗夾具主要功能是模擬設備實際安裝狀態、完成產品的固和振動環境的傳遞，夾具的好壞直接影響到振動試結果的可信度。不合理的夾具設計、制造及安裝使用容易是振動試驗國產產生“過振動”與“欠振動”［1］，加重振動系統的負荷，尤其在振動臺的動態響應范圍較小時，這種故障尤為明顯，對電子組件造成損壞，而達不到試驗的目的。因此，有必要對振動實驗及其關鍵的振動臺夾具設計進行深入的研究。

2 夾具設計的關鍵問題

2．1 材料要求

控制夾具固有頻率的因素是E／ρ，其中E 是楊氏模量，ρ是密度［2］。對于大多數金屬來說E／ρ比值接近選用不同的金屬材料不會明顯改變夾具的頻率特性如表1所示。由于重量是夾具設計時考慮的關鍵參數之一，鋁的密度只有鋼的35%不到，也易于機加工，同時其阻尼特性比鋼好，因此夾具采用鋁合金鑄造而成。

表1 常用材料的機械性能

魚雷電子組件由于受雷內空間限制，體積重量都不大，因此材料可采用輕便、易加工的鋁合金，采用整體機加工結構形式；對于較大夾具，優先考慮鑄造或焊接；夾具要留有傳感器安裝位置。

2．2 性能要求

振動夾具要具有良好的動態特性，能盡可能不失真地將振動臺的能量傳遞到試驗件上。理想的夾具應將振動激勵不失真地傳遞給試件，在試驗頻帶范圍內無共振頻率點［3］，因此需要試驗產品和夾具之間能夠作到剛性連接，對夾具性能的要求主要有以下幾點：

1）要求其頻率響應曲線平坦，固有頻率要高，最好高于試驗頻率上限。夾具第一階固有頻率至少要高于試驗產品一階固有頻率3～5倍，以避免試件和夾具的耦合振動。試驗頻率范圍內，當夾具有共振峰時，應限制共振峰個數、傳遞比以及3dB帶寬頻率；

2）夾具連接面上各點響應要一致，以確保振動輸入的均勻性；

3）夾具的橫向振動應盡量小；

4）夾具的高度應小于試驗頻率上限波長的1／4；

5）在振動臺推力允許時，夾具質量最好是試驗產品質量的2～4倍，以減少試件對振動臺的反共振；

6）正確模擬試件的實際安裝狀態，夾具的動特性與產品實際安裝支架的動特性應盡量一致，這樣才能重現產品的實際環境。要做到這一點相當困難，因為產品范圍很大，可以是元件、部件、組合件以及某種結構等，單個夾具難以再現各種產品的固定方法，只能盡量做到與實際情況相近似。

2．3 重量要求

夾具的重量主要是由以下公式得出：

式中：F為振動臺額定推力；M2 為試件質量；M3為夾具質量；a為加速度。

根據振動臺的額定參數和實際試驗中運動的最大加速度，確定出夾具的重量范圍。應該注意的是：在有效的重量范圍內，夾具的重量應該盡可能地輕，因為附加重量會降低軸向共振頻率。所以，夾具重量對共振頻率的影響比材料剛度對共振頻率的影響要大。

3 夾具設計及仿真

3．1 夾具設計

振動夾具的主要結構形式有L 型、倒“T”型和盒型，本夾具形式采用倒“T”形結構。連接孔采用沉孔設計，根據魚雷電子組件外形特性和質量特性，夾具預留的安裝接口，嵌有鋼絲螺套，模擬魚雷電子組件的實際安裝方式和運動方向，總質量為10kg。為提高夾具的整體剛度，兩側和中板采用工字梁加強筋，通過增加工字梁高度來提高夾具的固有頻率，夾具的實體模型［4～5］如圖1所示。

圖1 夾具外形

3．2 振動臺面

為滿足夾具安裝的方便性和同時進行多個產品的安裝以提高試驗效率要求，一般使用振動臺臺面，在振動臺臺面上安裝夾具，要求振動臺面固有頻率在1000Hz以上，因為魚雷電子產品的器件固有頻率在一般在300Hz～750Hz，若振動臺面固有頻率在1000Hz以下，則由振動臺、臺面、夾具、產品組成的試驗系統其固有頻率有可能在750Hz以下（帶夾具、產品后剛度K 減少，質量M 增大，固有頻率減小），與器件固有頻率（300Hz～750Hz）重合，控制點選點不當會造成產品器件的過試驗和損壞。

3．3 夾具的瞬態動力學分析

該電子組件在沖擊過程中要受到最大300g的加速度沖擊，具體如表2所示。

表2 沖擊試驗能級

為了分析夾具在沖擊載荷下的受力情況，采用MSC．Software公司的MSC．Patran／Nastran有限元軟件進行仿真計算［6］。將CATIA 中建立的夾具三維實體模型導入MSC．Patran／Nastran 中。由于模型結構比較復雜，采用四面體單元進行網格劃分；設置有限元模型的材料屬性和載荷工況；設置單元屬性及施加邊界條件［7］。模型受到的沖擊加速度分別為40g、60g、80g、300g，沖擊波形為半正弦波，對應的加速度沖擊時間分別為10ms、10ms、5ms、1ms。

3．4 有限元模型仿真

電子組件試驗段要做X軸向前、X軸向后不同方向過載的沖擊，在這兩種沖擊方向下對所有沖擊載荷進行仿真。模型的長度單位是mm，在本文中量綱采用的是“t-mm-s”制，應力的單位是MPa。有限元模型采用10節點四面體單元劃分網格［8］，在安裝面進行位移約束，將5個自由度約束，在縱軸方向施加加速度載荷，試驗段質量由試驗段外殼均布等效。模型受到100g過載時，計算結果如圖2所示。

圖2 過載響應曲線圖

40g沖擊過載時最大應力發生在X軸向前方向，位置在底座與安裝面板接觸處，最大應力為71MPa，遠小于硬鋁材料的許用應力。60g沖擊過載時X軸向前方向產生的最大應力為150MPa。最大應力位置在與產品連接的螺母上。300g沖擊過載時X軸向前方向產生的最大應力為278MPa。最大應力位置在與產品連接的螺母上，這些部位均為鋼材料，則最大應力遠離屈服極限。

3．5 固有頻率測試

該試驗電子組件的一階頻率最高為100Hz。對夾具三維模型進行網格的劃分，采取簡化處理，包括模型中的倒棱和焊接不平面等結構。建立分析模型包括有限元網格的劃分［9～10］、材料模型的建立和邊界條件的施加等步驟。采用四面體網格，共71601個單元。夾具與振動臺面螺栓連接的節點取為邊界條件，固定螺栓一端節點的所有自由度。

表3 夾具的部分模態值

用NASTRAN 計算夾具的固有頻率，夾具第一階固有頻率為117．3Hz，前四階固有頻率如表3所示。

從表2可以看出，該夾具具有較好的動態特性，其固有頻率遠高于被試驗件的固有頻率，可滿足試驗件的振動試驗夾具要求。

4 結語

本文設計了一種固定某魚雷電子組件的夾具。通過仿真分析，可以得出以下結論：

1）該夾具在功能上能實現40g、60g、80g、300g的沖擊要求，滿足設計要求并且操作方便。2）經過瞬態動力學仿真分析，該夾具所選擇材料的力學性能能承受要求的加速度沖擊而不損壞［9～10］。3）經過軟件分析計算，該夾具的一階固有頻率遠高于被試電子組件的一階固有頻率，理論上驗證了該夾具設計的合理性。

綜上所述，該夾具結構設計合理，功能完善，剛度和強度均能滿足設計要求，安全裕度計算結果大于零，符合設計要求。

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