某机载雷达舱外设备振动冲击试验夹具设计

文 | 苏州长菱测试技术有限公司 毛成龙 陈俊 王晓辉

某机载雷达舱外设备振动冲击试验夹具设计

The Shock and Vibration Test Fixture Design of Airborne Radar Equipment

文 | 苏州长菱测试技术有限公司 毛成龙 陈俊 王晓辉

为了合理地设计符合振动冲击环境试验要求的夹具,根据某机载雷达舱外设备振动冲击试验条件及有关振动环境试验夹具设计规范,对该雷达舱外设备振动冲击试验夹具进行了结构动力特性设计。振动冲击试验表明:夹具的动态特性满足了振动冲击环境试验夹具设计的要求。某机载雷达舱外设备振动试验时,加速度谱密度值的控制误差明显小于±3dB,完全符合有关振动环境试验规范的要求，冲击试验控制精度也满足试验标准要求。因此,该夹具设计是成功的。

Abstract:In order to properly design the fixture of shock and vibration environmental testing, the structural dynamic characteristics design was made according to the test conditions of an airborne radar equipment shock and vibration and the vibration test fixture design criterion. Vibration and shock test showed that the dynamic nature of fixtures met the fixture design requirements of the shock and vibration environmental testing. During the airborne radar vibration test, the PSD value of control error is smaller than ± 3dB, which fully complies with the requirements of standard vibration test and the shock test control accuracy also met the test standards.Therefore, the fixture design is successful.

振动试验；夹具；有限元；模态分析；试验容差

Key words:Vibration Test；Fixture；Finite Element；Modal Analysis；Test Tolerance

引言

机载电子设备在使用和运输过程中会受到振动和冲击等动力学环境的作用,这种作用常导致电子设备中元器件焊点断裂、管脚损坏和紧固件松动等故障。这些故障大大降低了机载电子设备的可靠性,产生严重的后果。为了确保机载电子设备的安全可靠性,故在装机前均应按照国军标进行环境振动试验,以有效地激发机载电子产品在生产过程中因元器件、工艺和装配等原因所引起的这类早期故障,提高机载电子产品的可靠性,减少产品的后期维修费用。合理地设计符合振动环境试验要求的夹具是保证试验质量的一个关键。但随着试件尺寸和重量的增加，试验量级的增大，夹具设计的难度也越来越大。在工程实践中,常常因夹具的动力特性较差引起试件的“过试验”或“欠试验”,将原本可以通过振动试验的试件判为不合格,或将原来不能通过试验的试件判为合格。理想的夹具应能将振动台台面上的振动信号不失真地传递到试件上。因此,夹具的固有频率应尽可能地高,但要高出试验频率的上限,通常存在很大的困难。为此，夹具设计规范针对所设计的夹具大小及重量以及其他有关因素,对所设计的夹具的第一阶固有频率下限值,作了相应的规定，对于大型夹具来说，一般要使其一阶固有频率高于试件的一阶固有频率的3～5倍，此要求对大型试验夹具的设计带来了新的挑战。

1 某机载雷达舱外设备振动冲击试验要求

某机载雷达舱外设备如图1所示。长2m，宽0.6m，高3m，重300Kg，通过顶部4个M14的螺栓固定在夹具上，分别进行两种试验状态的试验，即雷达旋转与静止两种状态，每种状态进行三个方向的试验，试验采用GJB150.16军用设备环境试验方法-振动试验及GJB150. 18军用设备环境试验方法-冲击试验的标准。

夹具应满足如下要求：

图1 雷达舱外设备外形图

(1)三个方向第一阶固有频率均大于100 Hz;

(2)重量小于4000 kg;

(3)某雷达舱外设备与夹具安装后可罩盖部分可360°旋转；

(4)振动试验时控制谱误差在±3 dB之内，总均方根值不超出±10%；

(5)冲击试验控制谱应满足图3所示容差要求；

(6)夹具和雷达舱外设备整体重心处于振动台的轴心。

2 夹具设计

为满足某雷达舱外设备振动冲击试验的要求，同时留有一定的推力余量，振动台采用苏州东菱振动试验仪器有限公司研发制造的ES350-870/LTT2525，其动圈直径为870mm，32个M12的安装孔呈米字型分布，最大推力为350KN，垂直方向最大承载为6000Kg，水平台面为2500mm×2500mm，具体性能指标见表1及表2所示。

雷达舱外设备的安装点在顶部，试件的工作状态处于悬挂状态，对于该类试件传统的夹具是做一个全封闭的笼式桁架结构，以保证夹具所需的刚度，由于夹具体积庞大，一般采用空心薄壁管以减轻重量，同时由于整体封闭式的结构形式，增加了夹具的制作的难度和安装使用的难度，同时由于笼式桁架体积较大，重量大，而且刚性很难保证，很难得保证三个方向均达到100Hz以上的共振频率。

表1 ES-350垂直台参数

相对于现有技术的笼式桁架夹具结构，本雷达舱外设备振动试验夹具是采用开放式的整体框架结构，具有结构刚性好，体积小，重量轻，使用方便的特点。如图2图3所示，雷达舱外设备振动冲击试验夹具，由空心钢管和钢板焊接成的一个整体框架结构，雷达舱外设备通过顶部4个M14螺栓悬挂在该整体框架结构内，且可以沿竖直轴线水平转动360°，该整体框架结构前、后面是敞开的，左右立柱由梯形筋板和空心钢焊接而成，上方为两层方形框架和三块竖筋板焊接而成；垂直方向试验时通过左右立柱可将整个框架结构与底部的V型扩展台面相连接，然后通过32个M12螺栓将底部的V型扩展台面固定于振动台动圈上，水平方向试验时直接通过左右立柱将整个框架结构与水平台面连接。

在设计过程中用ANSYS对其进行结构动力分析。分析时采用10节点solid45实体单元,通过调节夹具的高度、筋的厚度及位置,使夹具的固有频率尽可能提高。最终夹具长3000mm,宽1100mm,高3800mm,重3500 kg。共有244135个节点, 805795个单元。夹具的实体模型如图4所示,单元划分如图5所示。在夹具底部完全约束情况下,前6阶振型如图6～11所示，其中，第六阶振型为垂直方向的一阶伸缩，频率为149.6Hz，大于100Hz，满足设计要求。同时由于夹具与试件均是对称的,故整体的重心位于振动台的轴线上,无偏心。

水平方向试验时直接通过左右立柱将整个框架结构与水平台面连接，当试件振动方向改变时,只需将安装法兰和试件同时旋转90°安装即可,避免了将整个夹具重新安装，图12为夹具水平方向一阶弯曲振型图，频率为287Hz，满足设计要求。

表2 ES-350水平台参数

3 夹具测试及振动冲击试验

夹具动态响应测试分为两个方向，即垂直方向和水平方向，试验时采用夹具顶部四点平均控制，采用正弦扫频测试条件，10Hz～500Hz，0.1g，1Oct/min，垂直方向及水平方向测试图谱如图13及图14所示，夹具固有频率测试及仿真结果对比见表3所示。

表3 夹具的固有频率（Hz）

某雷达舱外设备振动冲击试验时安装情况见图15所示，同样采用夹具顶部安装法兰螺钉附近的四个点进行平均控制，试验控制谱如显示，在整个试验频段内，加速度谱密度值误差明显小于±3 dB，加速度总均方根幅值误差也在±2%内。

4 结束语

本文提供了一种大型悬挂式振动试验夹具的设计方法，整体开放式的框架结构，具有结构刚性好，体积小，重量轻，使用方便的特点，从振动冲击试验的控制曲线可以看出，加速度谱密度值误差明显小于±3 dB，加速度总均方根幅值及冲击响应幅值误差也在±2%内，满足试验委托方提出的夹具设计要求，为此型号的雷达舱外设备振动冲击试验的顺利完成提供了保障，也对同类型产品的力学环境试验夹具设计提供了参考。

[1] 胡志强,法庆衍,洪宝林,等.随机振动试验应用技术 [M].北京:中国计量出版社, 1996.；

[2]《力学环境试验技术》，编辑委员会编著，西北工业大学出版社。

毛成龙，男，2007年毕业于中国矿业大学工程力学专业，毕业后在苏州长菱测试技术有限公司一直从事力学环境试验方面的工作，主管完成了神舟七号飞船、神舟八号飞船、天宫一号及嫦娥三号等高难度重大项目的振动试验，对试验夹具的设计有一定的经验。