鱼雷电子组件振动试验夹具的设计＊

（中船重工集团第七〇五研究所 西安 710075）

1 引言

鱼雷电子组件在运输、试验过程中要经受较严酷的机械环境，振动、冲击等机械负荷常常引起元件失效、材料疲劳损换，造成电子组件故障。为了检验产品在真实环境下工作情况，产品需要进行振动等试验。主要手段是在通过振动试验等应力测试试验，向电子组件施加外力载荷，或者模拟试验的环境载荷条件，分析电子组件的关键部位的频率响应情况，为合理的元器件布局设计、组件结构设计和壳体结构设计提供依据。因此振动试验是结构设计分析及验证的重要环节，振动试验的方法关系到试验的正确性与准确性，必须加以重视。

研究振动试验方法是进行振动试验的最重要的组成部分。而夹具在振动试验中发挥着极为重要的作用。振动试验夹具主要功能是模拟设备实际安装状态、完成产品的固和振动环境的传递，夹具的好坏直接影响到振动试结果的可信度。不合理的夹具设计、制造及安装使用容易是振动试验国产产生“过振动”与“欠振动”［1］，加重振动系统的负荷，尤其在振动台的动态响应范围较小时，这种故障尤为明显，对电子组件造成损坏，而达不到试验的目的。因此，有必要对振动实验及其关键的振动台夹具设计进行深入的研究。

2 夹具设计的关键问题

2．1 材料要求

控制夹具固有频率的因素是E／ρ，其中E 是杨氏模量，ρ是密度［2］。对于大多数金属来说E／ρ比值接近选用不同的金属材料不会明显改变夹具的频率特性如表1所示。由于重量是夹具设计时考虑的关键参数之一，铝的密度只有钢的35%不到，也易于机加工，同时其阻尼特性比钢好，因此夹具采用铝合金铸造而成。

表1 常用材料的机械性能

鱼雷电子组件由于受雷内空间限制，体积重量都不大，因此材料可采用轻便、易加工的铝合金，采用整体机加工结构形式；对于较大夹具，优先考虑铸造或焊接；夹具要留有传感器安装位置。

2．2 性能要求

振动夹具要具有良好的动态特性，能尽可能不失真地将振动台的能量传递到试验件上。理想的夹具应将振动激励不失真地传递给试件，在试验频带范围内无共振频率点［3］，因此需要试验产品和夹具之间能够作到刚性连接，对夹具性能的要求主要有以下几点：

1）要求其频率响应曲线平坦，固有频率要高，最好高于试验频率上限。夹具第一阶固有频率至少要高于试验产品一阶固有频率3～5倍，以避免试件和夹具的耦合振动。试验频率范围内，当夹具有共振峰时，应限制共振峰个数、传递比以及3dB带宽频率；

2）夹具连接面上各点响应要一致，以确保振动输入的均匀性；

3）夹具的横向振动应尽量小；

4）夹具的高度应小于试验频率上限波长的1／4；

5）在振动台推力允许时，夹具质量最好是试验产品质量的2～4倍，以减少试件对振动台的反共振；

6）正确模拟试件的实际安装状态，夹具的动特性与产品实际安装支架的动特性应尽量一致，这样才能重现产品的实际环境。要做到这一点相当困难，因为产品范围很大，可以是元件、部件、组合件以及某种结构等，单个夹具难以再现各种产品的固定方法，只能尽量做到与实际情况相近似。

2．3 重量要求

夹具的重量主要是由以下公式得出：

式中：F为振动台额定推力；M2 为试件质量；M3为夹具质量；a为加速度。

根据振动台的额定参数和实际试验中运动的最大加速度，确定出夹具的重量范围。应该注意的是：在有效的重量范围内，夹具的重量应该尽可能地轻，因为附加重量会降低轴向共振频率。所以，夹具重量对共振频率的影响比材料刚度对共振频率的影响要大。

3 夹具设计及仿真

3．1 夹具设计

振动夹具的主要结构形式有L 型、倒“T”型和盒型，本夹具形式采用倒“T”形结构。连接孔采用沉孔设计，根据鱼雷电子组件外形特性和质量特性，夹具预留的安装接口，嵌有钢丝螺套，模拟鱼雷电子组件的实际安装方式和运动方向，总质量为10kg。为提高夹具的整体刚度，两侧和中板采用工字梁加强筋，通过增加工字梁高度来提高夹具的固有频率，夹具的实体模型［4～5］如图1所示。

图1 夹具外形

3．2 振动台面

为满足夹具安装的方便性和同时进行多个产品的安装以提高试验效率要求，一般使用振动台台面，在振动台台面上安装夹具，要求振动台面固有频率在1000Hz以上，因为鱼雷电子产品的器件固有频率在一般在300Hz～750Hz，若振动台面固有频率在1000Hz以下，则由振动台、台面、夹具、产品组成的试验系统其固有频率有可能在750Hz以下（带夹具、产品后刚度K 减少，质量M 增大，固有频率减小），与器件固有频率（300Hz～750Hz）重合，控制点选点不当会造成产品器件的过试验和损坏。

3．3 夹具的瞬态动力学分析

该电子组件在冲击过程中要受到最大300g的加速度冲击，具体如表2所示。

表2 冲击试验能级

为了分析夹具在冲击载荷下的受力情况，采用MSC．Software公司的MSC．Patran／Nastran有限元软件进行仿真计算［6］。将CATIA 中建立的夹具三维实体模型导入MSC．Patran／Nastran 中。由于模型结构比较复杂，采用四面体单元进行网格划分；设置有限元模型的材料属性和载荷工况；设置单元属性及施加边界条件［7］。模型受到的冲击加速度分别为40g、60g、80g、300g，冲击波形为半正弦波，对应的加速度冲击时间分别为10ms、10ms、5ms、1ms。

3．4 有限元模型仿真

电子组件试验段要做X轴向前、X轴向后不同方向过载的冲击，在这两种冲击方向下对所有冲击载荷进行仿真。模型的长度单位是mm，在本文中量纲采用的是“t-mm-s”制，应力的单位是MPa。有限元模型采用10节点四面体单元划分网格［8］，在安装面进行位移约束，将5个自由度约束，在纵轴方向施加加速度载荷，试验段质量由试验段外壳均布等效。模型受到100g过载时，计算结果如图2所示。

图2 过载响应曲线图

40g冲击过载时最大应力发生在X轴向前方向，位置在底座与安装面板接触处，最大应力为71MPa，远小于硬铝材料的许用应力。60g冲击过载时X轴向前方向产生的最大应力为150MPa。最大应力位置在与产品连接的螺母上。300g冲击过载时X轴向前方向产生的最大应力为278MPa。最大应力位置在与产品连接的螺母上，这些部位均为钢材料，则最大应力远离屈服极限。

3．5 固有频率测试

该试验电子组件的一阶频率最高为100Hz。对夹具三维模型进行网格的划分，采取简化处理，包括模型中的倒棱和焊接不平面等结构。建立分析模型包括有限元网格的划分［9～10］、材料模型的建立和边界条件的施加等步骤。采用四面体网格，共71601个单元。夹具与振动台面螺栓连接的节点取为边界条件，固定螺栓一端节点的所有自由度。

表3 夹具的部分模态值

用NASTRAN 计算夹具的固有频率，夹具第一阶固有频率为117．3Hz，前四阶固有频率如表3所示。

从表2可以看出，该夹具具有较好的动态特性，其固有频率远高于被试验件的固有频率，可满足试验件的振动试验夹具要求。

4 结语

本文设计了一种固定某鱼雷电子组件的夹具。通过仿真分析，可以得出以下结论：

1）该夹具在功能上能实现40g、60g、80g、300g的冲击要求，满足设计要求并且操作方便。2）经过瞬态动力学仿真分析，该夹具所选择材料的力学性能能承受要求的加速度冲击而不损坏［9～10］。3）经过软件分析计算，该夹具的一阶固有频率远高于被试电子组件的一阶固有频率，理论上验证了该夹具设计的合理性。

综上所述，该夹具结构设计合理，功能完善，刚度和强度均能满足设计要求，安全裕度计算结果大于零，符合设计要求。

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