一款振動試驗夾具的優化設計

彭立曉

（天津航空機電有限公司，天津 300000）

振動試驗是航空航天和汽車電子零部件環境試驗項目之一。其中，振動夾具的設計與安裝對于振動試驗成功與否至關重要。如設計或安裝不合理，會出現產品在振動過程中過試驗或者欠試驗的情況。過試驗會導致電子產品故障，造成產品成本增加。欠試驗會導致電子產品考核不足，存在廠外質量問題風險。因此，需對振動夾具的傳遞特性要求和解決方案進行研究。本文針對振動試驗中常用的圓盤型夾具的傳遞特性進行分析，找到影響圓盤型夾具傳遞特性的主要因素，并在試驗過程中進行規范。通過仿真與試驗驗證，優化后圓盤型夾具可以滿足試驗要求。該圓盤型夾具的優化過程與結果及夾具的優化與驗證方法可應用于其他類型夾具設計。

1 問題描述

產品振動試驗中，一款電子產品在隨機振動試驗垂直方向中故障頻發。經排查發現，產品安裝點振動量值為試驗目標頻譜振動量值的4倍，產品存在過試驗問題。該產品安裝在圓盤夾具上進行振動試驗，對圓盤夾具進行傳遞特性測試，產品安裝點位置有明顯共振峰值，不滿足要求。振動夾具試驗現場，如圖1所示。

2 夾具設計原則與要求

振動夾具是使振動臺通過機械連接把力傳遞給試驗件，所以振動夾具的傳遞特性對于振動試驗的順利進行至關重要[1]。

《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第16部分：振動試驗》（GJB150.16A—2009）標準中規定：試件在進行振動試驗時，應當與其工作狀態保持一致；振動試驗采取的振動夾具應該保證與其在工作過程中的固定形式一致，以等效地固定樣件并進行試驗[2]。

夾具設計原則是在滿足實際安裝條件的前提下，盡可能具有低質量和高強度。在具體設計時應考慮以下幾個方面[3-4]：

（1）振動夾具的模態頻率；

（2）通過表面處理，使夾具的底面達到較高的平面度，表面粗糙度達到1.6 μm；

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

（4）振動夾具應該根據振動臺合理設計，保證連接接近實際受力情況，便于安裝；

（5）振動夾具設計時要根據現有加工水平合理設計加工方案，縮短加工周期，降低加工價格；

（6）應當避免振動夾具對傳遞特性、允許的正交運動以及振動偏差進行不合理放大；

（7）根據試件的振動試驗功率譜密度及其結構尺寸，設計合理的夾具結構；

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

美國桑地亞公司提出了以夾具共振頻率為基礎的夾具設計規范[5]。

3 夾具原狀態仿真與試驗驗證

原狀態夾具安裝方式如圖2所示。

3.1 夾具原狀態模態仿真

仿真時，約束方式如圖2所示。6個安裝點固定約束，材料為鋁合金7A04，彈性模量為65 GPa，泊松比為0.31，密度為2.85 kg·m-3。利用ANSYS進行仿真分析得到模態頻率和模態振型，如圖3所示。

3.2 夾具原狀態振動臺正弦掃描測試

測試時，振動臺正弦掃頻20～2 000 Hz，正弦峰值為1g。從掃頻結果可知，圓盤夾具的第一階共振頻率為855 Hz。

3.3 夾具原狀態振動臺隨機振動測試

測試時，夾具利用6個M12螺栓安裝在垂直方向振動臺。掃頻振動條件為振動量值為6g，采用兩點平均控制方式。測試結果顯示，產品安裝點位置振動量值均方根值（有效值）達到23g。從振型看，可知圓盤夾具安裝點不足，導致圓盤夾具模態低，盤面振動水平均勻性差。需提高圓盤的約束剛度，增加夾具安裝點，外圈安裝8個安裝點，內圈安裝4個安裝點，進行仿真與試驗驗證[6-8]。

4 夾具安裝狀態優化后仿真與試驗驗證

優化后夾具安裝方式如圖4所示。

4.1 夾具安裝狀態優化后模態仿真

約束方式如圖4所示，12個安裝點固定約束，其余條件與原狀態一致。利用ANSYS進行仿真分析得到模態頻率和模態振型，結果如圖5所示。

4.2 夾具優化后狀態振動臺正弦掃描測試

夾具優化后狀態振動臺正弦掃描測試時，試驗條件同3.2，試驗結果為夾具在2 000 Hz以內無明顯共振峰值，第一階共振頻率達到2 000 Hz以上。

4.3 夾具優化后狀態振動臺隨機振動測試

夾具利用12個M12螺栓安裝在垂直方向振動臺，其他振動試驗條件與其余條件與原狀態一致。測試結果為產品安裝點位置振動量值均方根值（有效值）為6.1g，與參考譜一致[9]。從仿真與試驗結果可知：圓盤夾具優化后振動量值與目標譜一致，傳遞特性良好，滿足設計要求；圓盤在2 000 Hz以內沒有大于2倍放大系數的共振峰值。

5 結語

本文基于振動試驗中發生的實際問題，通過產品三維模型的仿真分析，得到圓盤夾具共振頻率與振型，給出了優化方向為增加螺釘約束和提高夾具剛度。經過夾具的正弦掃頻試驗與隨機振動測試對比，得到夾具產品安裝點與目標譜一致，且共振頻率大于2 000 Hz，滿足夾具的設計要求，后進行振動試驗產品通過了振動考核。