某導(dǎo)彈艙段振動試驗夾具設(shè)計與分析*

羅立生，皮志超 ，孫 濤 ，史治宇

(1.國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003；2.上海航翼高新技術(shù)發(fā)展研究院有限公司，上海 200082；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

航空產(chǎn)品如導(dǎo)彈在使用中承受著加速度、氣動和聲壓等多種復(fù)雜環(huán)境振動激勵，振動試驗是檢驗產(chǎn)品可靠性、耐久性的有效手段[1-3]。成功有效的振動試驗與振動夾具的動態(tài)特性密不可分。目前國內(nèi)還沒有完善的振動試驗夾具設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對于機載電子產(chǎn)品，文獻[4]給出了基于圣地亞實驗室的振動夾具設(shè)計規(guī)范；對于機載外掛產(chǎn)品，一般籠統(tǒng)要求夾具的一階固有頻率大于產(chǎn)品一階固有頻率的 3倍～5倍[5]。文獻[6]闡述了導(dǎo)彈艙段類振動試驗夾具的設(shè)計方法，應(yīng)用復(fù)合材料改善了夾具的固有頻率和阻尼特性。范東林等對比了整體制造和螺栓連接兩種方式制造的某型導(dǎo)彈前艙振動夾具的第1階固有頻率，得出整體制造夾具基頻比螺接方式夾具的基頻高出約28%[7]。

本文針對某導(dǎo)彈艙段振動試驗夾具的設(shè)計要求，根據(jù)GJB150.16A振動試驗和機載外掛產(chǎn)品振動夾具動特性要求，設(shè)計了用于20 Hz～2 000 Hz隨機振動試驗的夾具結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用商用軟件對夾具結(jié)構(gòu)進行了有限元分析。

1 產(chǎn)品及試驗條件

1.1 產(chǎn)品介紹

某導(dǎo)彈艙段為帶圓錐雷達罩、后端圓柱的結(jié)構(gòu)，其最大外形尺寸為Φ220 mm×1 000 mm，質(zhì)量約為32 kg，質(zhì)心位置大致在距離最前端700 mm處，如圖1所示。導(dǎo)彈艙段右端尾部沿圓周有8個Φ11 mm的孔用于與彈體連接。艙段結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率為116.94 Hz。

圖1 某導(dǎo)彈艙段

1.2 試驗條件

振動試驗要求導(dǎo)彈艙段懸臂安裝，進行垂直方向的隨機振動試驗，施加的功率譜密度曲線如圖2所示，其加速度均方根值為6.018g，振動試驗時間為10 min。

圖2 加速度功率譜密度曲線

振動試驗采用的電動振動臺系統(tǒng)型號為DC-10000，振動臺參數(shù)如下：額定激振力為54 kN，頻率范圍為2 Hz～2 500 Hz，動圈質(zhì)量為40 kg，垂直擴展臺質(zhì)量為70 kg，擴展臺臺面連接孔尺寸如圖3所示。

圖3 擴展臺臺面的連接孔尺寸示意圖

2 振動夾具設(shè)計

2.1 振動夾具設(shè)計要求

性能優(yōu)秀的振動夾具能夠?qū)⒄駝优_的機械能不失真地傳遞給產(chǎn)品，從而最大程度地還原產(chǎn)品的工作環(huán)境。但如果夾具的傳遞性不佳，則會對試驗產(chǎn)品產(chǎn)生“過試驗”和“欠試驗”問題。對于外掛產(chǎn)品，振動夾具設(shè)計一般遵循以下規(guī)則：①振動夾具的最低階頻率應(yīng)大于產(chǎn)品第1階頻率的3倍以上；②在試驗頻率范圍內(nèi)，振動夾具應(yīng)避免與產(chǎn)品發(fā)生耦合共振[8]；③振動夾具與產(chǎn)品不同裝夾處的正交性運動系數(shù)要小于1，并且響應(yīng)偏差要小于±100%；④振動夾具應(yīng)選用比剛度大、阻尼大的材料；⑤振動夾具能方便與振動臺面及試驗件連接等。

2.2 振動夾具設(shè)計流程

振動夾具的設(shè)計主要分為夾具最大質(zhì)量預(yù)估、夾具初步設(shè)計、夾具與試驗產(chǎn)品質(zhì)心計算、夾具有限元建模和分析[9]這4個步驟，設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 振動夾具設(shè)計流程

由于振動臺額定推力的限制，最大允許夾具質(zhì)量可根據(jù)振動臺推力和試件質(zhì)量來估算，即：

(Mf+Mt+Ma)a≤F.

(1)

其中：Mf、Mt和Ma分別為夾具、產(chǎn)品和動圈的質(zhì)量；a為正弦加速度峰值或隨機振動加速度的均方根值；F為振動臺的最大推力。

2.3 某導(dǎo)彈艙段振動夾具設(shè)計

考慮到導(dǎo)彈艙段的懸臂安裝方式以及試驗安裝的方便性，將夾具設(shè)計成兩部分組合，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5(a)的底座與振動臺面連接，圖5(b)的轉(zhuǎn)接頭沿圓周均勻分布設(shè)計8個M10的螺釘孔與導(dǎo)彈艙段連接，方形板與圖5(a)的底座通過螺釘連接。整個夾具采用鑄鋁成形。

圖5 夾具結(jié)構(gòu)

試驗夾具總質(zhì)量為34 kg，小于按式(1)計算所得的最大質(zhì)量限制，質(zhì)心位于縱向距離最前端123 mm處；導(dǎo)彈艙段的質(zhì)量為32 kg，質(zhì)心位置為縱向距離最前端459 mm處。計算可得兩者的組合質(zhì)心距離夾具最前端的距離為285 mm。依據(jù)計算結(jié)果可確定振動夾具與振動臺面中心的連接孔位置，從而確保裝配后夾具與產(chǎn)品的總質(zhì)心落于振動臺面中心，如圖6所示。

圖6 夾具與導(dǎo)彈艙段組合質(zhì)心位置

3 振動夾具的動力學(xué)分析

3.1 振動夾具的模態(tài)分析

模態(tài)分析是振動夾具設(shè)計的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過模態(tài)分析可以快速獲取振動夾具的固有頻率，并初步判斷夾具與產(chǎn)品是否出現(xiàn)共振現(xiàn)象。模擬夾具固定于振動臺面上，應(yīng)用MSC/Nastran進行有限元建模和模態(tài)分析，可得夾具的固有頻率和振型。表1為夾具振動試驗2 000 Hz范圍內(nèi)的前4階固有頻率，前4階模態(tài)振型如圖7所示。

圖7 振動夾具前4階模態(tài)振型

表1 振動夾具前4階固有頻率

由計算結(jié)果可知：振動夾具的第1階固有頻率為891.23 Hz，能保證大于導(dǎo)彈艙段第1階頻率116.94 Hz的3倍以上，并且與產(chǎn)品沒有共振峰，符合對夾具結(jié)構(gòu)固有頻率的要求。

3.2 振動夾具的頻響和隨機響應(yīng)分析

為了進一步獲得夾具與產(chǎn)品夾持處在振動試驗下的具體響應(yīng)情況，應(yīng)用有限元軟件中的頻響和隨機響應(yīng)計算模塊對夾具進行隨機響應(yīng)分析。計算得到如圖5(b)所示的上下左右四個孔邊加持處的加速度響應(yīng)均方根，依據(jù)隨機響應(yīng)結(jié)果可進一步計算夾具裝夾處的正交運動特性以及多個裝夾處之間的響應(yīng)偏差，見表2。

由表2可知：振動夾具Y方向激勵時，產(chǎn)品裝夾處X向正交性運動系數(shù)最大為0.743，平均值為0.421；產(chǎn)品裝夾處Z向正交性運動系數(shù)最大為0.738，平均值為0.363。Y向四個裝夾處之間的相互偏差最大不超過0.54%。

表2 監(jiān)測點加速度響應(yīng)均方根、正交性系數(shù)及相對誤差

通過對振動夾具的頻響和隨機振動響應(yīng)計算，可知振動夾具正交性運動系數(shù)和裝夾處間的允許偏差等傳遞特性都滿足振動夾具的動態(tài)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某導(dǎo)彈艙段產(chǎn)品參數(shù)、振動試驗和振動臺參數(shù)以及振動夾具的動態(tài)設(shè)計要求，依據(jù)振動夾具設(shè)計流程，設(shè)計了其隨機振動試驗的夾具結(jié)構(gòu)，應(yīng)用商用有限元軟件建立了夾具的有限元模型，并進行了模態(tài)、頻響和隨機振動響應(yīng)分析。由計算數(shù)據(jù)可知：①振動夾具的第1階固有頻率為891.23 Hz，大于導(dǎo)彈艙段基頻3倍以上；②夾具的頻響函數(shù)基本平坦，與產(chǎn)品沒有共振峰；③夾具與導(dǎo)彈艙段裝夾處的正交性運動系數(shù)最大不超過0.746，相互偏差最大不超過0.54%。結(jié)果顯示夾具具有優(yōu)良的動態(tài)傳遞特性，能夠滿足振動試驗要求。