振動試驗夾具設計研究

張海輝

摘 要：根據型號項目振動試驗的實踐經驗，提出了振動試驗夾具設計的基本要求、方法步驟以及制作過程中應注意的問題，討論了各類夾具的應用范圍，對于產品振動試驗夾具設計工作具有重要的指導意義。

關鍵詞：夾具；振動；受力分析

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“過振動”與“欠振動”，即使勉強達到了控制譜的要求，也必將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，矛盾會更加突出。而且不可能制造一個試驗性夾具，在進行完動態特性測試、結構修改、觀察效應后，再研制出用于環境試驗的振動夾具，往往都會要求一次性設計、制造成功。

一、夾具的主要參數

振動試驗的夾具可以分為很多類，有專為某個試件而做的專用夾具，也有適用于不同類型試件的通用夾具。無論夾具種類如何多變，都要求它的動態特性參數滿足一定的要求，確保試驗的真實再現。一個成功的夾具需要在以下3方而達到要求：（1）夾具的共振頻率要高于某個特定頻率值，同時試件的一階諧振與夾具的一階諧振之比應該在0.5～1.4之間；（2）夾具振動加速度傳遞特性應在一3～+20db之間；（3）夾具的橫向振動應盡量地小，通常不大于30%，最大不超過50%。

根據以上要求.設計者在設計制造過程中就需要對剛度、重量、夾具重心的定位等幾個主要指標進行考慮。

二、夾具設計技術現狀

經驗法是目前夾具設計中運用最為廣泛的方法之一，但是這種方法有先天不足之處。由于大中型夾具設計一般都應用在航空與軍事等領域，關于它的設計理論及其論述較少，也沒有形成系統的理論和方法。

鄧柯萊法，是將基本的夾具結構分為單獨的子結構，分別計算其固有頻率，然后求出總體結構的固有頻率。利用鄧柯萊法來設計夾具，具有簡單、快速的優勢，但也存在不足：（1）鄧柯萊法推導過程的誤差較大；（2）此方法適合于高階固有頻率遠大于第一階固有頻率的系統；（3）利用鄧柯萊法時，子結構必須是一些較為簡單的規則結構，以便于求解。這樣就限制了鄧柯萊法的廣泛應用。

隨著現代結構動態設計方法的發展，將有限元模態分析與實驗模態分析結合起來應用于夾具設計將是一個快速、高效且滿足工程精度的設計方法。

夾具設計的原則：夾具設計首先要選擇材料，振動夾具的高頻特性對其材料的強度和疲勞特性提出了較高的要求。夾具設計時應優先選用比剛度大、阻尼大的材料，一般最常用的是鋁、鎂及其合金，盡可能不要選用鋼做夾具的材料。材料的比剛度大即夾具的質量小而剛度大，可使振動試驗影響變小且控制效果更好。

設計時使夾具的質量盡可能小。根據強度理論，材料的固有頻率f與剛度k成正比，與質量m成反比。對同一尺寸的金屬，鋁比鎂質量大1/3，鋼比鎂質量大4倍。應防止因強度不足，導致夾具自身被振壞，最終損壞試驗產品的現象發生。

夾具的總體結構設計應優先采用對稱形式，一般選擇立方體、盒形、半球形和錐形。在振動試驗過程中，盡可能使試件和夾具的合成質心落在振動臺的中心線上，即“對中”。對于質心較高的試件或夾具，夾具的平穩性能就更加重要，可以避免振動臺臺面搖晃振動帶來的控制振動波形失真；同時，還應特別關注夾具是否會產生橫向運動，甚至于旋轉和滑移。

在選擇夾具的制造工藝時，應盡量采用簡體、整體夾具，一般優先采用整體鑄造工藝，其次可以選用焊接和螺接工藝。

三、夾具設計中的幾個問題

夾具的設計要求是使試驗夾具相對重量最小、剛度最大，在試驗頻率范圍內不發生結構共振。當然，一個好的夾具主要還應滿足以下要求：（1）夾具的第一階固有頻率應高于試驗產品第一階固有頻率的3～5倍，以避免發生夾具與受試產品的共振耦合；（2）夾具的阻尼要大；（3）夾具的橫向運動（指垂直于激振方向的運動）要小；（4）波形失真小。

1.夾具類型的選擇。夾具類型的種類有很多，設計者應根據受試產品的尺寸、形狀和工作時的安裝方式來選擇。

（一） L型和T型夾具

L型夾具和T型夾具設計可以仿照轉接板的方法進行，但是夾具上的垂直平板和筋板需要加強，這是因為在某些頻段上垂直平板容易發生共振問題。

（二） 轉接板型

轉接板是一種最為常見的振動夾具。一般是簡單的平板，板上有螺孔或T型槽與振動臺而連接，有時受試產品直接安裝在轉接板上，有時轉接板上要安裝另外的試驗夾具，受試產品再安裝在試驗夾具上。選定轉接板夾具以后，需要根據產品的重量、安裝數量、安裝方式、尺寸和所使用的振動臺來決定夾具的結構尺寸。

2. 夾具材料的選擇與共振頻率。從性能角度出發，材料應具有較小的密度，較大的剛度和較高的阻尼；從加工角度出發，材料應易于加工；從經濟角度出發，則要求材料價格較為便宜。直接影響固有頻率的因素是材料的彈性模量E與材料密度ρ之比。E/ρ的值也影響共振頻率，其值越大越好。在我們所進行的振動試驗中，一般選擇的材料為鋁硅合金或者ZL101，而不使用鋼材。

四、夾具的測試

對夾具的動態測量，可以暴露夾具的不足之處，可以為夾具的改進提供詳細的參考數據。而我國現在對于夾具還沒有要求進行專門的計量，所以夾具的測試并沒有引起大家的重視。這樣就往往會發生由于夾具的不合格，出現共振而造成超載試驗，損壞試件。因此，可以利用一些自有的基本設備對夾具進行一些簡單的測試。測試夾具最簡單的方法就是用正弦掃描試驗來測定夾具的動態特性，繪出X-Y曲線圖，確定夾具的一階共振頻率和夾具上各點之間的傳遞系數比.

五、結語

夾具的設計在振動試驗中起到關鍵的作用，同時夾具的設計涉及到很多問題，包括安裝、測量、振動傳遞等多個方面，需要考慮的問題也很多。一個好的夾具，不僅僅能保證試驗的順利進行，同時能使試驗事半功倍，提高效率。另外，夾具的設計對試驗成本影響也很大。因此夾具的設計者在試驗中扮演著重要的角色。設計者在設計過程中應多積累經驗，以求設計出簡單高效的振動夾具。

參考文獻：

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