基于扫频振动试验的装夹垫层影响分析

郝 苗，杜 祯，刘 博

（北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015）

0 引 言

振动为环境适应性试验中最为常见的试验项目。振动试验中，常以扫频的方式寻找设备各关键点的共振频率或检验其扫频耐受性等。除自带工装的受试设备外，其余大部分受试设备在进行振动试验时，均使用压杆和螺栓、螺杆进行固定。部分情况下，为保护受试设备外观，在对其进行装夹时会使用装夹垫层，以避免压杆等划伤受试设备外观。然而，增加装夹垫层后，受试设备、夹具和振动试验台台面的结合面处的链接刚度发生变化，而整体刚度作为一种衡量设备力学特征的重要因素，其约50%受制于结合面刚度[1]，可见依据不同情况合理地使用振动垫层对于振动试验结果非常重要。

本文以无装夹垫层情况下的结果为参照值，用3种不同材质的常见装夹垫层进行扫频振动试验，并进行对比，以求找出不同试验目的下使用不同装夹垫层的影响效果。

1 理论模型及方法

1.1 作 用

在振动试验中，装夹垫层作为受试设备与振动试验台的链接件，可视作夹具的一部分。其功能主要体现为：保护受试设备外观，连接试验台面与受试设备，传递能量。一般地，振动系统的组成及其能量传递过程如图1所示[2]。

图1中，虚线为机械能传递路径，实线为电能传递路径。传递过程中，需保证动圈与夹具间的连接为刚性连接或近似，保证不失真地传递运动载荷，以此确保试验的有效性[3-4]。

图1 振动试验系统及能量传递过程

1.2 力学理论

刚度指弹性体抗变形拉伸的能力，其计算公 式为：

式中：P为作用在结构上的恒力，δ为由于力而产生的形变。

在恒定力作用下，弹性体的形变量取决于其弹性模量的变化，故采用不同材料的装夹垫层时，整体结构的刚度不同，因而对试验结果的影响不同。

1.3 本文研究内容与方法

本文首先在无装夹垫层的情况下，将被试品以规定状态装夹至水平振动台上，并在预设的点位固定加速度传感器后，进行多轮扫频试验，以获得其无装夹垫层下的频响特性，以供对比。

随后，在压杆与受试样品中添加不同装夹垫层后进行相同的扫频试验，获得其频响特性后，与无装夹垫层时的试验数据进行比较分析，以获得不同装夹垫层对扫频振动试验结果的影响。

2 试验设置

以图2所示的方式，用压杆、螺栓及螺杆将受试样品固定在振动试验台台面。

图2 被试品装夹状态图

2.1 被试品

被试品为不规则的、基本尺寸为500 mm× 500 mm×530 mm的钢架结构件，总质量为21.06 kg。

2.2 采样点布置

为使试验效果更为明显、更具可比性，依照经验，分别将3个传感器大致布置于互相垂直的横、纵、垂三向中响应效果较为明显的位置。采样点位置如图3所示，3号点传感器布置于横向，5号点传感器布置于纵向，6号点传感器布置于垂向。

图3 传感器布点示意图

2.3 试验条件

为使影响因素相对单一，规避多变量相互作用的影响，本文涉及的试验中被试品于振动台上的固定位、固定方式、装夹位置在试验中均保持一致，并使用力矩扳手以14 N·m的力矩进行固定。

因随机振动条件下，振动频域特性的随机性较大，不利于比对，故本文涉及试验采用扫频试验进行，参数设定采用常用值，详细试验条件如表1所示[5]。

表1 振动试验条件

本文涉及试验中，垫层选用实验室内较为常见的0.1 mm厚A4纸（质量为80 g）、1 mm厚橡胶垫及2 mm厚毛毡垫。试验中，垫层均覆盖于夹具压条与被试品全部接触面，且为单层。

2.4 试验设备

本文涉及试验中使用DC-10000-100型电动振动试验系统，控制传感器及采样传感器均使用2106C型单向加速度传感器。

3 结果分析

为减小试验设备固有误差对试验结果的影响，分别对不使用装夹垫层和以A4纸、橡胶垫、毛毡垫作为装夹垫层各进行3次扫频试验，取有效数据的平均值作为最后的分析数据进行比对，平均后的试验结果如表2所示。本次试验结果的分析主要针对加速度增益效果最大的3个峰值点及频域特性曲线。

表2 试验结果

依据试验结果，以无垫层时的前3个加速度放大效果最明显的频率点位置及加速度值为基准，比较A4纸、毛毡垫和橡胶分别作为垫层时的前3个加速度放大效果最明显的频率点位置及加速度值的偏差值及偏差率，进行比较，结果如表3所示。

表3 各条件频率点位置及加速度的偏差值及偏差率

3.1 峰 值

3.1.1 峰值点出现位置

装夹垫层对各采样点各阶峰值点出现位置的影响效果如下。

对横向采样点位置的一阶主激振频率点出现位置的影响效果为A4纸＜毛毡垫＜橡胶，二阶主激振频率点出现位置的影响效果为A4纸=毛毡垫＜橡胶，三阶主激振频率点出现位置的影响效果 为橡胶＜A4纸=毛毡垫。

对垂向采样点位置的主激振频率点出现位置的影响效果为A4纸＜橡胶＜毛毡垫，二阶主激振频率点出现位置的影响效果为橡胶＜毛毡垫＜A4纸，三阶主激振频率点出现位置的影响效果为毛毡垫＜A4纸＜橡胶。

对纵向采样点位置的一阶主激振频率点出现位置的影响效果为毛毡垫＜橡胶＜A4纸，二阶主激振频率点出现位置的影响效果为A4纸＜橡 胶＜毛毡垫，三阶主激振频率点出现位置的影响效果为毛毡垫＜A4纸＜橡胶。

3.1.2 峰值大小

装夹垫层对各采样点处各阶峰值大小的影响效果如下。

对横向采样点的一阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为A4纸＜毛毡垫＜橡胶，二阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为毛毡垫＜A4纸＜ 橡胶，三阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为A4纸＜橡胶＜毛毡垫。

对垂向采样点的一阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为橡胶＜A4纸＜毛毡垫，二阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为A4纸＜橡胶＜ 毛毡垫，三阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为A4纸＜橡胶＜毛毡垫。

对纵向采样点的一阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为A4纸＜橡胶＜毛毡垫，二阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为毛毡垫＜A4纸＜ 橡胶，三阶主激振频率点处峰值大小的影响效果为A4纸＜毛毡垫＜橡胶。

3.2 频域特性曲线

本文涉及的试验中，纵向（5号采集点）为主要考核方向，下文主要针对不同装夹垫层对纵向的频域特性曲线的影响进行比较。无装夹垫层时的振动试验曲线如图4所示，使用不同装夹垫层时的振动试验曲线分别如图5、图6及图7所示。

图4 无装夹垫层时的频域特性曲线

图5 装夹垫层为A4纸时的频域特性曲线

图6 装夹垫层为毛毡垫时的频域特性曲线

图7 装夹垫层为橡胶时的频域特性曲线

由不同情况下的曲线可见：高频段，使用不同的装夹垫层对纵向的频域特性曲线趋势的影响相对较小；中低频段不同的装夹垫层对纵向的频域特性曲线趋势的影响相对较大，在使用了装夹垫层的情况下，频域特性曲线的走向更为平缓，尤其振动效果在该采集点出发生衰减时表现最为明显；增加了装夹垫层后，部分频段的加速度值由无装夹垫层时的增益转变为了衰减。

3.3 结论分析

由试验结果及对比，当依本文所述振动条件进行不同目的的振动试验时，以纵向反馈为考核内容，不同装夹垫层对试验结果的有效性影响分析如下：

当振动试验目的为考核最大加速度峰值对受试样品的影响时，以A4纸和橡胶作为装夹垫层进行试验，对试验结果的有效性影响较小；

当振动试验目的为寻找受试样品在该扫频频段范围内出现的最大共振频率点时，以A4纸、毛毡垫和橡胶作为装夹垫层进行试验，对试验结果有效性的影响均较小；

当振动试验目的为确认各阶共振频率点及其加速度时，以A4纸作为装夹垫层进行试验，对试验结果的有效性影响相对较小，但与无装夹垫层时进行比较仍有不可忽略的偏差；

当振动试验目的为确认受试样品在该扫频频段内频响曲线的变化特征时，以A4纸、毛毡垫和橡胶作为装夹垫层进行试验，均对试验结果有效性存在较大影响。

4 结 语

本文主要以装夹垫层为研究对象，使用不同的装夹垫层进行试验并进行结果比对，分析了不同材质的装夹垫层在扫频振动试验中对频域特性的影响。结果表明，在不同的振动试验目的下，可依据实际情况适当选择装夹垫层或不添加任何装夹垫层。