一種熱電池通用振動夾具設(shè)計

楊曉勇

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384）

一種熱電池通用振動夾具設(shè)計

楊曉勇

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384）

熱電池在振動實驗中需要夾具轉(zhuǎn)接固定，夾具性能的優(yōu)劣直接影響到設(shè)備的可靠性。介紹了一種通用振動夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行了仿真分析優(yōu)化、實驗驗證，對夾具進行了討論和總結(jié)。對熱電池及同類產(chǎn)品振動實驗夾具的設(shè)計具有一定的工程指導(dǎo)和參考價值。

熱電池；振動實驗；通用；夾具

熱電池由于其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于各種武器裝備系統(tǒng)。在產(chǎn)品交付用戶前，必須通過不同量級的力學(xué)實驗考核(包括運輸振動、沖擊、加速度和隨機振動)。在常規(guī)振動實驗中，熱電池組都需要先固定在振動實驗夾具上，再將夾具固定在振動臺面上。熱電池體積和質(zhì)量一般都不大，但結(jié)構(gòu)形式各異，力學(xué)性能各有不同，單機基頻一般在200～1 000 Hz左右，隨機振動考核的頻率范圍通常在5～2 000 Hz。顯然，夾具和試件的固有頻率很容易落在該頻率范圍內(nèi)，如果兩者的固有頻率接近或二、三階頻率出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，對試件來說，其損壞的可能性就很大，或者說，實驗會出現(xiàn)共振、過振，這是絕對要避免的。因此在振動實驗中，設(shè)計一種適應(yīng)范圍廣、力學(xué)性能優(yōu)良的新型通用夾具十分必要。

1 夾具設(shè)計要求

振動實驗夾具的設(shè)計是一項難度較大的工作，被試件往往千變?nèi)f化，夾具必須適應(yīng)和滿足這些變化。目前夾具的設(shè)計主要存在以下缺點：夾具傳遞的振動往往存在很大的失真，夾具上各點的振動量值相差很大，均勻度很差。在測試頻段內(nèi)(比如在5～2 000 Hz)存在多階共振，振動控制非常困難，有些夾具材料選用不當，質(zhì)量過大，消耗能量多。

一般來說，夾具的設(shè)計有如下基本原則[1]：

(1)要求其基頻響應(yīng)曲線平坦，固有頻率要高，最好高于實驗頻率上限；

(2)夾具連接面上各點響應(yīng)要一致，以確保振動輸入的均勻性；

(3)夾具的橫向振動應(yīng)盡量小；

(4)在振動臺推力允許時，夾具質(zhì)量最好是實驗產(chǎn)品質(zhì)量的2～4倍，以減少試件對振動臺的反共振；

(5)正確模擬試件的實際安裝狀態(tài)，夾具的動特性與產(chǎn)品實際安裝支架的動特性應(yīng)盡量一致。

2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計多種多樣，常見的有板式、盒式、柜式、盆式等。加工方法有機械加工、螺釘連接、焊接、粘連、鑄造等，各有其優(yōu)缺點。通常鑄造的夾具力學(xué)性能較好，螺釘連接較差。常見的夾具材料如表1所示，可以看出，各種金屬材料的比剛度相差不大。

表1 常用金屬材料的機械性能

根據(jù)夾具設(shè)計的基本原則，結(jié)合熱電池產(chǎn)品的特點，選用鋁合金作為夾具材料，夾具構(gòu)型選用平板式結(jié)構(gòu)，采用機械加工的方法，具有選材方便、節(jié)省時間、安裝操作方便的特點。

夾具設(shè)計的整個流程如圖1所示。

圖1 夾具設(shè)計流程

3 仿真分析

根據(jù)上述設(shè)計原則，初步確定夾具的結(jié)構(gòu)如圖2所示，尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，質(zhì)量約12 kg。初步方案確定后，采用ANSYS軟件對夾具的固有頻率進行仿真和優(yōu)化，對夾具空載、加配重兩種情況進行仿真分析，分析結(jié)果如下：

圖2 夾具外形

(1)未加配重時前4階自振頻率

Model：Freq.=3 118.8 Hz；

Mode2：Freq.=5 452.2 Hz；

Mode3：Freq.=5 804.1 Hz；

Mode4：Freq.=7 860.7 Hz。

未加配重時振動板的一階振型如圖3所示。

圖3 未加配重時一階振型

(2)加配重時前4階自振頻率

配重4 kg在平板中心位置，與平板緊貼，剛性連接。加配重時，自振頻率隨配重高度和質(zhì)量的變化而變化。

Model：Freq.=2 571.3 Hz；

Mode2：Freq.=3 106.0 Hz；

Mode3：Freq.=3 345.3 Hz；

Mode4：Freq.=6 341.5 Hz。

加配重時振動板的一階振型如圖4所示。

圖4 加配重時一階振型

從分析結(jié)果可以看出，空載時夾具的一階自振頻率為3 118.8 Hz，遠大于實驗頻率2 000 Hz。在帶4 kg負載情況下，其一階自振頻率為2 571.3 Hz，雖然產(chǎn)品實際安裝狀態(tài)與仿真結(jié)果有一定差異，但仍說明該夾具具有較高的自振頻率，能夠滿足實驗要求。

4 實驗驗證

對夾具進行鑒定考察實驗，鑒定內(nèi)容包括：頻響特性和固有頻率、傳遞率、夾具連接處各點響應(yīng)的均勻性、波形失真、主振方向控制精度、正交方向振動響應(yīng)和品質(zhì)因子。

測試結(jié)果可作為判定夾具是否合格的依據(jù)。夾具的其他附加特性，如加負載后頻率的變化、共振點處的放大倍數(shù)、不同位置響應(yīng)的均勻性，可以作為有特殊要求的單機實驗選擇夾具的依據(jù)。

4.1 實驗過程

(1)夾具按照實驗流程要求依次按3個方向安裝在振動臺上。

(2)在夾具中心對角位置安裝控制傳感器，在單機連接孔附近安裝測量傳感器，位置如圖5、圖6所示。

圖5 垂直方向傳感器位置

圖6 水平方向傳感器位置

(3)進行正弦掃描，頻率范圍5～2 000 Hz，掃描率為2 oct/min，輸入加速度值為1 g。

(4)進行隨機振動實驗考核，實驗譜圖見圖7，振動時間10 min。

圖7 隨機振動實驗譜圖

(5)通過以上實驗，記錄激振方向控制傳感器的加速度、測量傳感器加速度、計算傳遞放大系數(shù)，以檢查夾具頻響特性、傳遞性及夾具響應(yīng)的均勻性；記錄控制傳感器和各測點交叉響應(yīng)的加速度比值，檢查夾具交叉響應(yīng)；記錄控制傳感器和各測點加速度隨頻率變化曲線，并測量波形失真；判定測試結(jié)果。

4.2 實驗結(jié)果及判定

通用夾具經(jīng)過實驗后，得到的實驗結(jié)果及判定結(jié)果如表2～表4所示。結(jié)果表明通用夾具性能可以滿足熱電池力學(xué)實驗需要。

5 總結(jié)

本文介紹了振動實驗夾具問題的來源，分析了通用夾具設(shè)計的必要性，同時介紹了夾具設(shè)計中應(yīng)考慮的因素。從振動實驗夾具的設(shè)計原理、分析優(yōu)化和工程應(yīng)用等方面進行了論述，該夾具結(jié)合熱電池產(chǎn)品特點，滿足大多數(shù)熱電池的力學(xué)實驗要求，對熱電池類似夾具設(shè)計也具有較好的工程指導(dǎo)和參考價值。

表2 空載實驗結(jié)果

表3 帶載實驗結(jié)果（負載4 kg）

表4 傳遞函數(shù)考察結(jié)果（負載4 kg）

[1]柯受全.衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗(下)[M].北京：宇航出版社，1996.

Design of general vibration fixture for thermal battery

YANG Xiao-yong
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Thermal batteries need to be fixed with fixture in vibration tests,the performance of fixture will directly affect the reliability of equipments.A kind of structure design of general vibration fixture was described.The simulation analysis optimization and experiment validation were conducted,and the generality and reliability of the fixture were discussed and summarized,having a certain reference value and engineering guiding significance for the vibration test fixture design of thermal battery and similar products.

thermal battery;vibration test;generation;fixture

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1691-03

2015-03-20

楊曉勇(1980—)，男，湖北省人，學(xué)士，工程師，主要研究方向為熱電池結(jié)構(gòu)。