淺談某開口盒型振動夾具的設計與改進

俞青鋒 葛新法

摘 要 針對某產品環境應力篩選試驗的振動試驗要求，設計專用的開口盒型振動夾具。利用ANSYS有限元仿真軟件，分析夾具的固有頻率及振型。提出了多種提高開口盒型夾具固有頻率的手段及方法，并不斷改進其結構，最終使夾具符合試驗的要求。為以后類似的振動夾具設計與改進提供參考。

關鍵詞 固有頻率;夾具;環境應力篩選;隨機振動

引言

振動試驗是環境應力篩選試驗中重要的組成部分，而試驗夾具又是振動試驗的重要參試部件之一。夾具的功能是將振動臺的運動和能量不失真地傳遞給試驗試件。但是，不合理設計的夾具也會使試驗試件受到的振動環境產生失真，造成“欠試驗”或“過試驗”，進而直接影響到試驗結果的評判。因此，試驗夾具的設計是否合理直接影響到產品環境應力篩選試驗的效果。

1夾具設計

1.1 受試產品簡介

試驗產品的概況：存在兩種VPX模塊，其中6U模塊結構尺寸為 233.35mm×177.7mm×21mm，后IO模塊尺寸為 233.35mm×109mm×19mm。要求設計的夾具能滿足一次對多個6U模塊及后IO模塊進行試驗。

1.2 夾具的固有頻率要求

環境應力篩選按照GJB1032-90《電子產品環境應力篩選方法》[1]。篩選試驗的振動頻率范圍為20～2000Hz，加速度譜密度為0.04g2/Hz，總均方根加速度為6.06g。

夾具設計時必須遵循“二倍頻原則”。二倍頻原則：當振動激勵上限頻率為f上時，夾具的1階固有頻率應滿足fn1≥2f上，此時認為夾具為剛體，可不失真地將振動激勵力傳遞到受試設備上。對于艦載電子設備而言，其振動試驗的機箱級用夾具的一階固有頻率應設計為fn1>320Hz。

1.3 夾具的結構設計

GJB150.16A—2009《軍用設備環境試驗方法：振動試驗》標準中規定：試件的技術狀態應與工作使用時一樣[2]。用與壽命周期內工作使用時相同類型的固定裝置，把試件固定在試驗夾具安裝部位上。

因此按照試產品在機箱中的安裝方式，設計了開口盒型夾具，其屬于開口盒型夾具中的側開口盒型。夾具的外形尺寸為520mm×320mm×290mm，主要包括底板、頂板、前框、后框、4個側支板及4個加強筋。夾具可以同時安裝多個受試模塊，能同時插裝14塊6U模塊及12塊后IO模塊。夾具采用材料45號鋼。

2夾具仿真分析

2.1 夾具改進前的模態分析

利用ANSY有限元仿真軟件，對振動夾具進行模態的分析，計算夾具的固有頻率及振型。本文主要分析夾具的前幾階固有頻率和對應的振型，然后針對性地進行結構的改進。初始方案夾具的前6階模態的固有頻率見表1。

可知，夾具的1階固有頻率遠小于試驗的要求，4階時fn1>320Hz。夾具的1階振型主要為頂板的左右變形，2階振型為頂板的前后變形，3階振型為頂板的上下變形。因此，要提高夾具的固有頻率必須從提高夾具這幾個方向的剛度著手。

2.2 幾種改進措施

為了提高試驗振動夾具的固有頻率，對現對夾具進行以下幾個方面的設計改進嘗試：①改變材料：將夾具材質改為鋁材2A12;②增加左右側的剛度：對四個側支板，改為兩個左右側壁面;對左右側的加強筋加長加厚處理;增加前后框架左右側立柱的厚度;③增加前后框架的剛度：后框架加厚，并變為X型結構;前框架加厚處理;④增加夾具中間剛度：在夾具的中間插入一塊加強模塊，該模塊與試驗模塊一樣大小，通過鎖緊裝置固定到夾具上;⑤降低夾具的質量：減輕頂板的質量，對頂板上適當減重;⑥減小夾具的長度方向尺寸：夾具為長方體結構，頂板及底板的長度尺寸相對其寬度方向的尺寸稍顯過大，減少兩塊試驗6U模塊的寬度尺寸，改后頂板尺寸344mm（長）×320mm（寬）。對6種改進措施進行模態仿真，計算出夾具的固有頻率。

由表2可知，幾種改進方法都能不同程度得提高夾具的前3階固有頻率。其中方法③對1階固有頻率提升明顯，方法②對2階固有頻率提升明顯，方法②對3階固有頻率提升明顯。改變夾具材料及降低質量并不能明顯提高固有頻率。提高開口盒型夾具的前幾階固有頻率主要在于提高夾具前后及左右側的剛度。

2.3 改進后的夾具模態

組合運用上面這幾種改進措施，主要方法在于提高夾具的剛度，使夾具的固有頻率提高到振動試驗的要求。振動夾具改進后的三維模型如圖1所示。

可知，夾具的一階固有頻率已達到fn1>320Hz的試驗要求。而應力篩選試驗用振動夾具原則上要求在2KHz內無諧振峰存在，沿振動軸方向的傳遞函數必須保持平坦，其不平坦允差不超過±3dB。而夾具的1階與2階固有頻率十分接近。因此，設計的夾具仍然需要進行改進與優化。

3結束語

通過對某開口盒型振動夾具的設計及改進、夾具的模態分析，為同類產品振動夾具的設計提供參考。總結出以下幾點：

① 振動夾具通過對設計結構的分析，來進行結構優化，增強剛度，提高固有頻率;

②提高開口盒型夾具的固有頻率主要通過提高夾具的薄弱部位的剛度，比如夾具的前后及左右方向剛度;

③ 夾具的設計是一個不斷改進優化的過程，最終使其能夠滿足產品環境應力篩選試驗的要求。

參考文獻

[1] 電子產品環境應力篩選方法：GJB1032-90[S].1990.

[2] 李新帥，張華國，鐘劍鋒，等.某雷達模塊的振動夾具設計[J].電子機械工程，2014，30（2）：23-29.