一種振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱海波，王亞濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

振動(dòng)夾具是保證振動(dòng)試驗(yàn)成功的重要因素之一，理想的振動(dòng)夾具是剛性的，能近似地模擬試件的實(shí)際工作狀態(tài)，保證夾具能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)不失真的傳遞給試件并且保證試件上各個(gè)點(diǎn)的振幅與振動(dòng)臺(tái)一致[1]。有時(shí)，對(duì)于特殊邊界條件或比較復(fù)雜的邊界條件，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)夾具就無(wú)法滿足要求[2]，需要借助有限元分析的手段輔助設(shè)計(jì)。

近年來(lái)，振動(dòng)試驗(yàn)成為驗(yàn)證航空設(shè)備可靠性的主要手段，其在航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的作用顯得越來(lái)越重要[3]。本文根據(jù)一款機(jī)載天線的結(jié)構(gòu)及該天線實(shí)際使用時(shí)的工作狀態(tài)設(shè)計(jì)了一款適用于該款天線的振動(dòng)夾具。并采用建模仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式驗(yàn)證了此振動(dòng)夾具的可用性。

1 振動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)夾具的功用，是從振動(dòng)臺(tái)(或沖擊機(jī))通過(guò)機(jī)械連接把能量傳給試件，其質(zhì)量直接關(guān)系著試驗(yàn)的成功與否[4]。振動(dòng)試驗(yàn)夾具既是連接振動(dòng)臺(tái)與試驗(yàn)件的一個(gè)過(guò)渡結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是振動(dòng)臺(tái)與試驗(yàn)件中間的傳力結(jié)構(gòu)，因此，振動(dòng)夾具成為影響振動(dòng)試驗(yàn)的一個(gè)重要原因，振動(dòng)試驗(yàn)是否順利進(jìn)行，能否驗(yàn)證設(shè)計(jì)水平，都與振動(dòng)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)、制作水平息息相關(guān)[5]。

GJB150.16A—2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法：振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：試件在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)與其工作狀態(tài)保持一致，振動(dòng)試驗(yàn)采取的振動(dòng)夾具應(yīng)該保證與其在工作過(guò)程中的固定形式一致，可以等效地將樣件固定并進(jìn)行試驗(yàn)[6]。

設(shè)計(jì)合理的振動(dòng)夾具應(yīng)當(dāng)保證傳遞振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)不失真，這對(duì)夾具的剛度、質(zhì)量、固有頻率等特性參數(shù)提出了一定要求[7]。

振動(dòng)夾具加工常用的材料為鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金等等。

上述常用材料的物理特性如表1所示，其中多數(shù)金屬的物理特性中E/ρ比值接近，金屬屬性對(duì)夾具固有頻率的影響并不明顯。E/ρ可以控制夾具的固有頻率，E代表?xiàng)钍夏Ａ浚汛砻芏龋虼耍亓砍蔀樵O(shè)計(jì)夾具時(shí)的重要參考因素之一，鋁合金作為常用的工業(yè)金屬之一，密度較小，其阻尼特性比鋼要好，同時(shí)鋁合金材料質(zhì)量輕，價(jià)格便宜，也更易于加工。與同質(zhì)量的鋼件相比，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效提高夾具剛度。因此本文夾具采用鋁合金加工[8]。

表1 夾具材料的物理特性

夾具設(shè)計(jì)原則是在滿足實(shí)際安裝條件的前提下，盡可能具有低的質(zhì)量和高的強(qiáng)度，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一下幾點(diǎn)[9]：

① 設(shè)計(jì)產(chǎn)品和試驗(yàn)用振動(dòng)夾具的固有頻率；

② 通過(guò)表面處理，使夾具的底面達(dá)到較高的平面度，表面粗糙度Ra達(dá)到1.6 μm；

③ 夾具材料優(yōu)先選用剛度/質(zhì)量比值大的，比如鋁合金和鎂鋁合金，以提高固有頻率；

④ 振動(dòng)夾具應(yīng)該根據(jù)振動(dòng)臺(tái)合理設(shè)計(jì)，保證連接接近實(shí)際受力情況，便于安裝；

⑤ 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)現(xiàn)有加工水平合理設(shè)計(jì)加工方案，縮短加工周期，降低加工價(jià)格；

⑥ 應(yīng)當(dāng)避免振動(dòng)夾具對(duì)傳遞特性、允許的正交運(yùn)動(dòng)以及振動(dòng)偏差進(jìn)行不合理的放大；

⑦ 根據(jù)試件的振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度及其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理的夾具結(jié)構(gòu)；

⑧ 埋頭帶臺(tái)肩沉孔是夾具與振動(dòng)臺(tái)連接的首選連接孔，振動(dòng)夾具盡量選用螺紋孔或者鋼絲螺套固定樣件。

本文根據(jù)一種機(jī)載天線安裝狀態(tài)及上述原則設(shè)計(jì)了一款適用于該天線振動(dòng)試驗(yàn)的夾具，三維模型如圖1所示。

圖1 振動(dòng)夾具三維模型

本文設(shè)計(jì)的夾具由6塊鋁板拼接而成，為了增加板與板之間的連接強(qiáng)度，減小夾具本身各個(gè)零件裝配對(duì)振動(dòng)的影響，鋁板與鋁板之間采用先螺釘連接緊固，然后焊接為一體的方式加工。為了消除焊接產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，成型之后要經(jīng)過(guò)熱處理或時(shí)效處理，以消除焊接殘余應(yīng)力[10]。

整體加工完成后，夾具安裝面采用龍門銑床加工保證平面度及表面粗糙度要求。

2 夾具隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

有限元分析技術(shù)的快速進(jìn)步，為仿真設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的便捷，在本文中，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件確定振動(dòng)夾具模型后，通過(guò)通用接口可以將模型導(dǎo)入仿真分析軟件，通過(guò)仿真分析找到夾具的振動(dòng)及受力薄弱環(huán)節(jié)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而得到滿足要求的夾具[11-12]。

振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)時(shí)，采用ANSYS仿真分析軟件分析了三維建模軟件設(shè)計(jì)的振動(dòng)夾具的三維結(jié)構(gòu)模型在隨機(jī)振動(dòng)條件下的諧振頻率。

隨機(jī)振動(dòng)分析是指將特定的功率譜密度作為仿真分析的輸入條件，最終計(jì)算響應(yīng)特定值出現(xiàn)概率的分析方法[13-14]。在設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)分析，可以在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證設(shè)備是否符合力學(xué)環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，使設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理[15]。

首先將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，并將鋁合金的相關(guān)物理參數(shù)導(dǎo)入，通過(guò)降低網(wǎng)格劃分的難度，去掉模型中對(duì)仿真分析影響不大的細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)算分析的效率[16]，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 振動(dòng)夾具仿真模型網(wǎng)格劃分

產(chǎn)品低階模態(tài)對(duì)其振動(dòng)響應(yīng)較大，需要重點(diǎn)考慮，高階模態(tài)的影響在產(chǎn)品實(shí)際工作中可以忽略[17]。一般分析設(shè)備的前6階模態(tài)就可以滿足使用要求，振動(dòng)夾具前6 階的共振頻率及前6階模態(tài)振型如表2及圖3～圖5所示。

表2 夾具前6階固有頻率

圖3 第1階與第2階模態(tài)振型

圖4 第3階與第4階模態(tài)振型

圖5 第5階與第6階模態(tài)振型

通過(guò)軟件仿真分析給出了夾具的前6階固有頻率，由分析可知，夾具前6階陣型主要是X軸、Y軸方向的擺動(dòng)及圍繞Z軸的扭動(dòng)。對(duì)上述可能出現(xiàn)諧振的位置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，并通過(guò)加工實(shí)物并按照GJB要求的振動(dòng)條件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)夾具實(shí)物進(jìn)行了驗(yàn)證。

3 實(shí)物加工與試驗(yàn)

通過(guò)三維設(shè)計(jì)和隨機(jī)振動(dòng)分析，確定振動(dòng)夾具模型，繪制工程圖紙，并加工了夾具實(shí)物，如圖6所示。

圖6 振動(dòng)夾具實(shí)物

夾具加工后，通過(guò)夾具底面臺(tái)階孔采用內(nèi)六角螺釘將其固定在振動(dòng)臺(tái)面上，保證夾具底面與振動(dòng)臺(tái)良好接觸(圖7)，根據(jù)GJB機(jī)載設(shè)備振動(dòng)條件要求 (圖8)進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為1 h，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行機(jī)械性能和外觀質(zhì)量檢查。

圖7 振動(dòng)夾具安裝圖

圖8 振動(dòng)試驗(yàn)譜

通過(guò)時(shí)間為1 h的振動(dòng)試驗(yàn)，外觀目測(cè)檢查未發(fā)現(xiàn)夾具被破壞，通過(guò)安裝在夾具上的監(jiān)測(cè)傳感器得到振動(dòng)夾具在給定振動(dòng)條件下的功率譜密度，如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)在20～2 000 Hz范圍內(nèi)，夾具在要求頻率范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)頻率比較平穩(wěn)，對(duì)振動(dòng)量級(jí)的放大效果均小于±2σ，一般認(rèn)為諧振點(diǎn)放大量級(jí)在±2σ范圍內(nèi)即可使用[18]。因此認(rèn)為此夾具可用于機(jī)載天線的振動(dòng)試驗(yàn)。

圖9 振動(dòng)夾具功率譜密度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)載天線振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)夾具，并對(duì)其三維模型進(jìn)行了諧振頻率仿真分析，優(yōu)化了夾具模型，根據(jù)常用夾具金屬材料的物理特性選擇鋁合金材料加工了振動(dòng)夾具實(shí)物，隨后將夾具安裝到振動(dòng)臺(tái)上并按照GJB要求進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該夾具在要求頻率范圍內(nèi)滿足使用要求，可用于機(jī)載天線的振動(dòng)試驗(yàn)。