一种振动夹具结构设计

朱海波，王亚涛

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

振动夹具是保证振动试验成功的重要因素之一，理想的振动夹具是刚性的，能近似地模拟试件的实际工作状态，保证夹具能够将运动不失真的传递给试件并且保证试件上各个点的振幅与振动台一致[1]。有时，对于特殊边界条件或比较复杂的边界条件，依据经验公式设计夹具就无法满足要求[2]，需要借助有限元分析的手段辅助设计。

近年来，振动试验成为验证航空设备可靠性的主要手段，其在航空产品设计过程中的作用显得越来越重要[3]。本文根据一款机载天线的结构及该天线实际使用时的工作状态设计了一款适用于该款天线的振动夹具。并采用建模仿真与试验验证相结合的方式验证了此振动夹具的可用性。

1 振动夹具结构设计

振动夹具的功用，是从振动台(或冲击机)通过机械连接把能量传给试件，其质量直接关系着试验的成功与否[4]。振动试验夹具既是连接振动台与试验件的一个过渡结构，同时也是振动台与试验件中间的传力结构，因此，振动夹具成为影响振动试验的一个重要原因，振动试验是否顺利进行，能否验证设计水平，都与振动试验夹具设计、制作水平息息相关[5]。

GJB150.16A—2009《军用设备环境试验方法：振动试验》标准中规定：试件在进行振动试验时，应当与其工作状态保持一致，振动试验采取的振动夹具应该保证与其在工作过程中的固定形式一致，可以等效地将样件固定并进行试验[6]。

设计合理的振动夹具应当保证传递振动台的激励不失真，这对夹具的刚度、质量、固有频率等特性参数提出了一定要求[7]。

振动夹具加工常用的材料为钢、铝合金、镁合金和钛合金等等。

上述常用材料的物理特性如表1所示，其中多数金属的物理特性中E/ρ比值接近，金属属性对夹具固有频率的影响并不明显。E/ρ可以控制夹具的固有频率，E代表杨氏模量，ρ代表密度，因此，重量成为设计夹具时的重要参考因素之一，铝合金作为常用的工业金属之一，密度较小，其阻尼特性比钢要好，同时铝合金材料质量轻，价格便宜，也更易于加工。与同质量的钢件相比，通过合理的结构设计可有效提高夹具刚度。因此本文夹具采用铝合金加工[8]。

表1 夹具材料的物理特性

夹具设计原则是在满足实际安装条件的前提下，尽可能具有低的质量和高的强度，在具体设计时应考虑一下几点[9]：

① 设计产品和试验用振动夹具的固有频率；

② 通过表面处理，使夹具的底面达到较高的平面度，表面粗糙度Ra达到1.6 μm；

③ 夹具材料优先选用刚度/质量比值大的，比如铝合金和镁铝合金，以提高固有频率；

④ 振动夹具应该根据振动台合理设计，保证连接接近实际受力情况，便于安装；

⑤ 振动夹具设计时要根据现有加工水平合理设计加工方案，缩短加工周期，降低加工价格；

⑥ 应当避免振动夹具对传递特性、允许的正交运动以及振动偏差进行不合理的放大；

⑦ 根据试件的振动试验功率谱密度及其结构尺寸设计合理的夹具结构；

⑧ 埋头带台肩沉孔是夹具与振动台连接的首选连接孔，振动夹具尽量选用螺纹孔或者钢丝螺套固定样件。

本文根据一种机载天线安装状态及上述原则设计了一款适用于该天线振动试验的夹具，三维模型如图1所示。

图1 振动夹具三维模型

本文设计的夹具由6块铝板拼接而成，为了增加板与板之间的连接强度，减小夹具本身各个零件装配对振动的影响，铝板与铝板之间采用先螺钉连接紧固，然后焊接为一体的方式加工。为了消除焊接产生的残留应力，成型之后要经过热处理或时效处理，以消除焊接残余应力[10]。

整体加工完成后，夹具安装面采用龙门铣床加工保证平面度及表面粗糙度要求。

2 夹具随机振动仿真分析

有限元分析技术的快速进步，为仿真设计带来极大的便捷，在本文中，通过三维设计软件确定振动夹具模型后，通过通用接口可以将模型导入仿真分析软件，通过仿真分析找到夹具的振动及受力薄弱环节并对其进行优化，从而得到满足要求的夹具[11-12]。

振动夹具设计时，采用ANSYS仿真分析软件分析了三维建模软件设计的振动夹具的三维结构模型在随机振动条件下的谐振频率。

随机振动分析是指将特定的功率谱密度作为仿真分析的输入条件，最终计算响应特定值出现概率的分析方法[13-14]。在设备设计过程中通过随机振动分析，可以在设计阶段验证设备是否符合力学环境下的动力学响应，使设备结构设计更加合理[15]。

首先将三维模型导入ANSYS软件中，并将铝合金的相关物理参数导入，通过降低网格划分的难度，去掉模型中对仿真分析影响不大的细节和结构，提高了运算分析的效率[16]，然后对模型进行网格划分，网格划分效果如图2所示。

图2 振动夹具仿真模型网格划分

产品低阶模态对其振动响应较大，需要重点考虑，高阶模态的影响在产品实际工作中可以忽略[17]。一般分析设备的前6阶模态就可以满足使用要求，振动夹具前6 阶的共振频率及前6阶模态振型如表2及图3～图5所示。

表2 夹具前6阶固有频率

图3 第1阶与第2阶模态振型

图4 第3阶与第4阶模态振型

图5 第5阶与第6阶模态振型

通过软件仿真分析给出了夹具的前6阶固有频率，由分析可知，夹具前6阶阵型主要是X轴、Y轴方向的摆动及围绕Z轴的扭动。对上述可能出现谐振的位置进行了结构加强，并通过加工实物并按照GJB要求的振动条件进行振动试验，对夹具实物进行了验证。

3 实物加工与试验

通过三维设计和随机振动分析，确定振动夹具模型，绘制工程图纸，并加工了夹具实物，如图6所示。

图6 振动夹具实物

夹具加工后，通过夹具底面台阶孔采用内六角螺钉将其固定在振动台面上，保证夹具底面与振动台良好接触(图7)，根据GJB机载设备振动条件要求 (图8)进行了振动试验，振动时长为1 h，试验结束后进行机械性能和外观质量检查。

图7 振动夹具安装图

图8 振动试验谱

通过时间为1 h的振动试验，外观目测检查未发现夹具被破坏，通过安装在夹具上的监测传感器得到振动夹具在给定振动条件下的功率谱密度，如图9所示，可以发现在20～2 000 Hz范围内，夹具在要求频率范围内监测到的振动频率比较平稳，对振动量级的放大效果均小于±2σ，一般认为谐振点放大量级在±2σ范围内即可使用[18]。因此认为此夹具可用于机载天线的振动试验。

图9 振动夹具功率谱密度

4 结束语

本文设计了一种用于机载天线振动试验的振动夹具，并对其三维模型进行了谐振频率仿真分析，优化了夹具模型，根据常用夹具金属材料的物理特性选择铝合金材料加工了振动夹具实物，随后将夹具安装到振动台上并按照GJB要求进行了振动试验，试验结果表明该夹具在要求频率范围内满足使用要求，可用于机载天线的振动试验。