固體火箭發動機振動試驗夾具優化分析與研究

王世輝， 張 昱， 陳欣欣， 程 博， 李 鐵

(中國航天科工集團 第六研究院601所,呼和浩特 010076)

固體火箭發動機振動試驗夾具優化分析與研究

王世輝， 張 昱， 陳欣欣， 程 博， 李 鐵

(中國航天科工集團 第六研究院601所,呼和浩特 010076)

通過相同激勵條件下對3種典型振動試驗夾具進行寬頻段隨機振動試驗分析，發現夾具在試驗頻段內出現不同程度的共振現象，過試驗現象嚴重；通過3種典型振動試驗夾具質量、一階固有頻率、位移變化量及應變變化量等數據對比、分析，得出影響振動試驗夾具振動傳遞特性的主要因素，以影響因素為優化變量，以典型部位平均響應與輸入的振動傳遞比為優化目標，進行拓撲優化設計，最終經過夾具振動試驗驗證，過試驗情況得到有效控制，滿足相關規范要求，為固體火箭發動機振動試驗控制提供保障。

振動與波 固體火箭發動機 振動試驗夾具 優化分析與研究

0 引言

隨著科技的發展及航天工業對產品可靠性和環境適應性要求的不斷提高，固體火箭發動機的高可靠性成為軍工行業的發展重點。由于固體火箭發動機內部結構越來越復雜，振動試驗產生欠試驗或過試驗現象頻繁出現。欠試驗會導致欠試驗部位振動量級不夠，無法考核其動力學性能，影響發動機設計人員對設計進行修正；過試驗會導致過試驗部位承受量級過大，嚴重時會造成發動機局部損傷。因此，避免發動機出現振動試驗欠試驗或過試驗情況尤為重要。振動試驗夾具質量好壞是能

否避免振動試驗過試驗或欠試驗的關鍵因素。本文從影響夾具質量的主要因素出發，對振動試驗夾具進行優化分析與研究。

1 振動試驗夾具基本理論

1.1 振動試驗夾具種類

振動試驗夾具種類很多，按用途分為專用和通用兩種。專用夾具是專門為某個試件制造的，通用夾具可以用于不同試件，常見夾具種類如下，立方體夾具主要用于小型零構件的振動試驗。

半球形夾具可以作相對于振動臺3個方向的振動試驗。

錐形夾具通常是鑄件，錐形截面和寬厚的筋形成合適的剛度重量比，可以為特殊試件訂做，也可以通過轉接板得到各個軸向的運動。

盒式夾具通常用五塊金屬板焊接而成，頂蓋通常用螺接，試件可安裝到4個垂直板的外邊，也可同頂蓋的某一邊相連。

L形夾具的各部分可用螺接、粘接或焊接結合起來，也可以用整塊料機械加工成L形夾具。

T形夾具除了垂直平板裝在中心位置外，其他方面和L形夾具類似[1]。

1.2 夾具質量影響因素分析

夾具的重量原則上應當輕，因為夾具的重量直接影響移動系統的總重量，影響振動臺裝上試件后所能達到的最大加速度數值[2]。具體公式如下，

(1)

式(1)中：F為振動臺額定推力；M1為動圈質量；M2為試件質量；M3為夾具質量；a為加速度。

在相同激勵輸入條件下，試驗件的形變量與試驗件剛度成反比[3]，具體公式如下：

(2)

式(2)中，k為試驗件剛度；p為作用于結構的力；δ為由于力而產生的形變。

應變是物體在外力和非均勻溫度場等因素作用下物體局部的相對變形量。

位移是物體在外力和非均勻溫度場等因素作用下物體局部的絕對變形量。

由式(2)可得，要提高試驗件的剛度，需要降低應變、位移變化量。

在大型試件的夾具設計中，要在整個試驗頻率范圍內完全避免夾具或夾具一試件的耦合共振是不可能的，但夾具共振對于振動傳遞有不良影響，尤以低頻共振最為嚴重。所以一般要求夾具的第一階固有頻率大于試件第一階固有頻率的3～4倍[5]。

從以上理論得出，夾具的質量、固有頻率、相同激勵條件下的應變變化量、位移變化量都與夾具的振動傳遞特性有關。

1.3 振動試驗夾具傳遞特性分析

選取3種典型固體火箭發動試驗夾具，進行相同的典型寬頻帶激勵條件下、相同典型部位振動響應、位移變化、應變變化等影響夾具傳遞特性因素分析。3種典型夾具結構分別見圖1～3。

圖1 典型夾具結構一

圖2 典型夾具結構二

圖3 典型夾具結構三

激勵條件為10～2 000Hz、均方根值為3.79g的隨機振動譜，具體條件見表1。

表1 隨機激勵條件表

具體激勵譜形見圖4。

圖4 典型激勵條件譜形

響應測點分布為，測點1位于左側弧座中間位置軸向；

測點2位于底盤與左側弧座連接處軸向；

測點位于3右側弧座中間位置軸向；

測點4位于底盤與右側弧座連接處軸向。

3種典型結構在圖4激勵條件下的振動響應情況如圖5～圖7。

圖5 典型結構一響應測點振動譜形

圖6 典型結構二響應測點振動譜形

圖7 典型結構三響應測點振動譜形

3種典型結構在圖4激勵條件下的位移變化量、應變變化量等與傳遞特性相關的數據情況見下表2。

表2 相關變量數據表

分析數據可得這3種夾具典型部位在試驗頻段內出現多次共振峰，典型部位響應與輸入振動傳遞比偏大，振動試驗出現過試驗現象，需要進行分析與研究。

2 振動試驗夾具優化分析

振動試驗夾具目標優化數學模型如下，

根據拓撲優化概念模型，結合振動試驗夾具結構特點，將包含裝配面的區域定義為非優化區域，包括夾具與發動機連接面、夾具與激勵力源連接面，其余設為優化區域。圖9為拓撲優化的夾具的概念模型綜合考慮夾具靜、動態性能要求，提取優化結果特征，按照最佳傳力路徑識別材料分布情況，并做規整化處理，得出夾具最優設計模型如下。

圖8 夾具拓撲優化的概念模型 圖9 夾具最優設計模型

夾具采用整體錐形設計，下部以肋狀結構焊接而成，可根據試驗件的尺寸增大安裝試驗件的臺面面積，它采用肋狀結構以增加剛度與重量比；上部采用弧座結構與下部以滑軌螺接方式連接，弧座的個數、位置要根據任務書的支撐要求及發動機的長度、直徑等數據進行具體設計。如發動機的直徑很小、長度相對很長，發動機易出現彎曲變形，損傷發動機，沒有特殊要求，為了保護發動機，可以增加弧座個數，甚至在不影響此次試驗能力的前提下，可以設計成整體弧座。

3 振動試驗夾具試驗驗證

夾具最優設計模型經過有限元分析，各項指標都符合要求。具體應用于某型號發動機振動試驗中，根據發動機尺寸和要求制作夾具完成后進行試驗檢測。經稱重，夾具質量為177kg。對夾具進行模態分析，得出夾具一階固有頻率為415Hz，振型圖如圖10，對最優夾具進行振動分析，仍以表1中典型夾具振動分析的激勵條件進行，響應測點位置分布仍按第2章3種典型夾具結構測點分布進行。得出典型部位的振動響應譜如圖11。

圖10 最優夾具一階模態振型圖

圖11 最優夾具典型部位的振動響應譜

從圖11中可得出，響應點1的均方根值為4.10g；響應點2的均方根值為3.98g；響應點3的均方根值為3.84g；響應點4的均方根值為3.88g；最優夾具結構的典型部位平均振動響應值與激勵力源輸入值3.98g的傳遞比為1.05。

4 結語

最優夾具結構的質量分別比結構一、二、三減輕33%、2%、60%；

最優夾具結構的一階固有頻率分別比結構一、二、三提高6.55倍、1.68倍、3.11倍；

最優夾具結構的典型部位響應與激勵力源輸入的振動傳遞比分別比結構一、二、三降低4.38倍、2.02倍、1.09倍。

經最優設計后，相較于3種典型的振動試驗夾具的質量有不同程度的降低，結構固有頻率有不同程度的升高，典型部位平均振動響應與輸入值的傳遞比為1.05，滿足相關標準要求，避免了振動試驗過試驗現象。該方法對固體火箭發動機振動控制具有一定的實用價值。

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

[2] 胡 波, 何 林.振動試驗夾具設計[J].可靠性設計與工藝控制, 2005,7(3):45-48.

[3] 袁海慶.材料力學[M].北京:北京大學出版社, 2009.

[4] 鐘繼根, 王東升, 任萬發，等.某導彈發動機振動試驗夾具設計[J].振動工程學報, 2004,17(Z2):728-730.

[5] 周金林, 付晨暉, 劉旭琳.振動試驗夾具設計方法研究[J].裝備環境工程, 2012,9(6):135-139.

[6] 王 軻, 孫妍妍, 茅志穎.振動試驗夾具動力學設計的綜合優化方法[J].振動測試與診斷, 2013,33(3):132-137.

Vibration Test Fixture Optimization Analysis and Control for Solid Rocket Motor

Wang Shihui, Zhang Yu, Chen Xinxin, Cheng Bo, Li Tie

(601STInstitute of No.6 Academy of China, Huhehaote 010076，China)

Through the same incentive conditions of three typical solid rocket motor vibration test fixture for vibration test analysis, different degree resonance phenomena within the test frequency and the experiment phenomenon were found. Through test data analysis, it was concluded that the main factors influencing the vibration test fixture transfer characteristics, influencing factors as optimization variables, the average values of vibration response and the input value in a typical part error as the optimization goal, fixture topology optimization design, the final test optimization model experiment phenomenon under control, meet the specification requirements, provide guarantee for solid rocket motor vibration test control.

vibration and wave; solid rocket motor; vibration test fixture; optimization analysis and control

2016-07-28；

2016-08-31。

軍品自主創新項目(中國航天科工集團六院)。

王世輝(1985-)，女，內蒙古呼和浩特人，碩士，主要從事固體火箭發動機振動試驗測試技術方向的研究。

1671-4598(2017)01-0221-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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