某雷達(dá)模塊的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

李新帥，張華國(guó)，鐘劍鋒，帥立國(guó)，劉國(guó)維

(1. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；3. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠， 河南 南陽 473007)

某雷達(dá)模塊的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)

李新帥1，2，張華國(guó)3，鐘劍鋒2，帥立國(guó)1，劉國(guó)維2

(1. 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；3. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠， 河南 南陽 473007)

隨著電子產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性要求的提高，特別是振動(dòng)性能要求的不斷提高，振動(dòng)試驗(yàn)在電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)中的作用日益顯著。振動(dòng)試驗(yàn)通過模擬產(chǎn)品在運(yùn)輸、安裝及使用過程中所遇到的各種振動(dòng)環(huán)境影響，來確定產(chǎn)品是否能承受各種環(huán)境振動(dòng)，從而判斷其能否達(dá)到實(shí)際使用要求。同時(shí)，振動(dòng)夾具在振動(dòng)試驗(yàn)中起著重要的作用，其設(shè)計(jì)的好壞決定著振動(dòng)試驗(yàn)的成功與否。文中首先對(duì)振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，然后通過某雷達(dá)模塊振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)過程，提出了利用軟件仿真并進(jìn)行逐步優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具的心得，為以后的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)提供參考。

振動(dòng)；夾具；優(yōu)化

引 言

振動(dòng)試驗(yàn)在電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)中具有重要的作用，它通過對(duì)產(chǎn)品在運(yùn)輸、安裝及使用過程中所遇到的各種振動(dòng)環(huán)境影響的模擬，來確定產(chǎn)品是否能承受各種環(huán)境振動(dòng)，從而判斷其能否達(dá)到實(shí)際使用要求。而振動(dòng)夾具是振動(dòng)試驗(yàn)中重要的一環(huán)，它是試件與振動(dòng)臺(tái)之間振動(dòng)能量傳遞的載體，同時(shí)也起著擴(kuò)大振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的作用，因此試件能否得到正確的試驗(yàn)，與振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)優(yōu)劣密切相關(guān)。

振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)隨試驗(yàn)要求、振動(dòng)臺(tái)、試件等的不同而不同，但都要求質(zhì)量盡可能小，剛度盡可能大，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)不出現(xiàn)或少出現(xiàn)共振。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，一個(gè)好的夾具還應(yīng)滿足以下6個(gè)要求：1)在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦，夾具的第一階固有頻率應(yīng)盡量高于最高試驗(yàn)頻率，還應(yīng)避免發(fā)生夾具與產(chǎn)品的共振耦合；2)夾具與產(chǎn)品連接面上的各連接點(diǎn)的響應(yīng)要盡量一致，以確保試驗(yàn)時(shí)激勵(lì)輸入的均勻性；3)夾具的剛度質(zhì)量比要足夠大，以提高固有頻率；4)在振動(dòng)臺(tái)推力達(dá)到要求的條件下，夾具的質(zhì)量最好是試件的2 ～ 4倍，以減少試件對(duì)振動(dòng)臺(tái)的反振；5)夾具的阻尼要盡量大，而且夾具垂直于激振方向的運(yùn)動(dòng)要小，以免對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)構(gòu)成干擾；6)波形失真應(yīng)盡量小，在夾具第一階固有頻率之前，波形失真度不應(yīng)大于25%，在夾具第一階固有頻率之后，不應(yīng)大于60%。從文獻(xiàn)[2]和[3]可以總結(jié)出夾具的第一階固有頻率是評(píng)價(jià)夾具優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，因此如何提高固有頻率是夾具設(shè)計(jì)首先要考慮的問題。文中將對(duì)某雷達(dá)模塊振動(dòng)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后用第一階固有頻率的要求(即夾具的固有頻率要盡量高于試驗(yàn)頻率，以避免夾具的共振耦合)來衡量。

1 振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的理論分析

關(guān)于如何提高固有頻率，已經(jīng)有了很多研究，也有了很多經(jīng)驗(yàn)，這里主要從以下2個(gè)方面分析如何提高固有頻率。

從材料選用的角度分析[4]，從固有頻率公式

(1)

可知，要提高固有頻率f的大小，就要盡量增大k/m(k為彈性系數(shù),m為質(zhì)量)的比值，而k和m分別與材料的彈性模量E和材料密度ρ成正比，所以選用的材料E/ρ的比值應(yīng)盡量大。目前較適合夾具設(shè)計(jì)的材料主要有鋁合金、鋼、鎂合金等，其中鋁和鎂的E/ρ值較大，但由于鎂材料性能不穩(wěn)定，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以鋁合金在夾具設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛。

從振動(dòng)夾具的固定方式分析，振動(dòng)夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上，可以簡(jiǎn)化為受周期性激振力的有阻尼彈簧質(zhì)量系統(tǒng)[5]，如圖1所示。

圖1 阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)

其振動(dòng)方程為

(2)

式中：z為夾具以平衡位置為起點(diǎn)的垂直位移；c為阻尼系數(shù)；Usin(pt)為周期性的激振力；U為激振力幅值；p為激振頻率；t為振動(dòng)時(shí)間。

其振幅響應(yīng)為

(3)

從振幅響應(yīng)分析可知，要想盡量保證振幅較小，且響應(yīng)平坦，就應(yīng)適當(dāng)提高阻尼比D。在設(shè)計(jì)時(shí)多設(shè)計(jì)幾個(gè)固定孔，不僅可以使頻響平穩(wěn)，振幅響應(yīng)適當(dāng)，也可以在一定程度上增加剛度，提高固有頻率。另外，設(shè)計(jì)時(shí)也要注意整個(gè)振動(dòng)夾具的重心，要盡量保證整個(gè)夾具的重心跟振動(dòng)臺(tái)的重心在一條直線上，而且要盡量使重心偏低，以提高夾具的穩(wěn)定性。

2 振動(dòng)夾具的初步設(shè)計(jì)

某雷達(dá)模塊的尺寸為330 mm × 162 mm × 25.4 mm, 總體上呈長(zhǎng)方體，其固有頻率為620 Hz，要求設(shè)計(jì)的夾具可以一次對(duì)多個(gè)模塊進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)根據(jù)其要求進(jìn)行振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)。首先估算振動(dòng)夾具要求的質(zhì)量范圍[6]，由試驗(yàn)推力F= (M0+M1+M2+M3)×a計(jì)算出振動(dòng)夾具要求的質(zhì)量不超過67.5 kg(M0為夾具的質(zhì)量，M1、M2、M3分別為振動(dòng)臺(tái)電樞、試件質(zhì)量和螺釘質(zhì)量，a為試驗(yàn)時(shí)的加速度)。

(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合該雷達(dá)模塊的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，決定初步設(shè)計(jì)如圖2所示的夾具。它主要包括底板、頂板及2個(gè)側(cè)板。由于雷達(dá)模塊本身有鎖緊機(jī)構(gòu)，只要底板和頂板之間的距離達(dá)到162 mm,就可以保持鎖緊狀態(tài)。另外，底板比頂板厚，可以使重心降低，從而提高夾具的穩(wěn)定性。

圖2 結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

3 振動(dòng)夾具的仿真和優(yōu)化

根據(jù)試件的基本要求，對(duì)振動(dòng)夾具進(jìn)行仿真分析，估算夾具的固有頻率，然后對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。

仿真采用的軟件是Ansys Workbench，利用該有限元軟件進(jìn)行振動(dòng)夾具的模態(tài)分析，主要分析其一階固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

(1)振動(dòng)夾具的材料選用鋁合金，其主要參數(shù)為：密度2 770 kg/m3，彈性模量71 GPa, 泊松比0.33。

(2)振動(dòng)夾具仿真主要經(jīng)過三維建模、網(wǎng)格劃分、約束設(shè)置、模態(tài)分析等步驟。其中網(wǎng)格劃分選用六面體網(wǎng)格，約束是對(duì)底板的孔進(jìn)行固定約束，同時(shí)對(duì)4個(gè)部分的連接處進(jìn)行焊接約束，來模擬整個(gè)夾具的焊接。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)的夾具(見圖2)質(zhì)量為23.35 kg，仿真后的一階固有頻率為625.92 Hz，其振型如圖3所示。

圖3 振動(dòng)夾具初步設(shè)計(jì)的一階振型

從一階振型圖(圖3)可以看出，振動(dòng)夾具底板中間位置的相對(duì)位移較大，而且整個(gè)夾具的固有頻率較低，在試驗(yàn)階段很可能形成共振。為此，在中間位置增加一個(gè)加強(qiáng)模塊來提高剛度，也可減小中間位置的相對(duì)位移。

(3)經(jīng)過改進(jìn)的振動(dòng)夾具如圖4所示。其主要改進(jìn)之處是在中間位置增加了一個(gè)加強(qiáng)模塊，該加強(qiáng)模塊可以通過楔形鎖緊機(jī)構(gòu)固定到夾具上，以方便其安裝拆卸；同時(shí)又適當(dāng)增加了底板的厚度，以進(jìn)一步提高夾具的穩(wěn)定性。經(jīng)有限元分析，其改進(jìn)后的質(zhì)量為30.9 kg。

圖4 改進(jìn)后的振動(dòng)夾具

用Workbench對(duì)改進(jìn)后的夾具進(jìn)行仿真，約束不變，其仿真后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后振動(dòng)夾具的一階振型圖

從圖5可以看出，振動(dòng)夾具的一階固有頻率提高到了1 414.6 Hz , 基本可以滿足固有頻率的要求，達(dá)到在試驗(yàn)范圍內(nèi)不出現(xiàn)共振或很少出現(xiàn)共振的條件。同時(shí)，在進(jìn)行振動(dòng)夾具的加工時(shí)，因底板、側(cè)板、頂板連接處的焊接形式為局部焊接，不可能對(duì)整個(gè)接觸面進(jìn)行焊接，因此為了增強(qiáng)連接，提高穩(wěn)定性，可以考慮在連接處先用螺釘固定，再進(jìn)行局部焊接。

(4)為了驗(yàn)證螺接約束帶來的固有頻率的提高，在經(jīng)過上述改進(jìn)后的振動(dòng)夾具的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，約束為4個(gè)部分連接處螺釘?shù)募s束、焊接約束和底板固定孔約束，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 改變約束條件后振動(dòng)夾具的一階振型

從圖6可以看出，當(dāng)振動(dòng)夾具經(jīng)過上述約束后，其固有頻率有了進(jìn)一步的提高，雖然中間位置的相對(duì)位移略有提高，但其位移較大處開始轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)模塊上，而且在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，試件可以對(duì)稱放置在靠近邊緣的位置。這樣，在加工過程中先采用螺釘將其定位定向，再對(duì)其連接處進(jìn)行局部焊接。焊接時(shí)可以先開V形槽，然后用釬焊的方法進(jìn)行焊接，其操作簡(jiǎn)單，焊后的夾具性能優(yōu)良，基本符合夾具的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

從某雷達(dá)模塊振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

1)振動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)要在提高固有頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析，來增強(qiáng)剛度，提高固有頻率。

2)進(jìn)行振動(dòng)夾具加工時(shí)，要考慮各種加工方法的利弊，充分利用各種方法的優(yōu)點(diǎn)。如在進(jìn)行該夾具加工時(shí)，可以先用螺釘對(duì)夾具的各個(gè)部分進(jìn)行定位定向，再進(jìn)行局部焊接，這樣不僅可以使整個(gè)夾具穩(wěn)定，還可以增強(qiáng)剛度。

3)本文對(duì)振動(dòng)夾具進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，但還未達(dá)到最佳值，還可結(jié)合動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法中的拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行結(jié)構(gòu)的合理性優(yōu)化。

[1] 劉旭. 淺談?wù)駝?dòng)夾具的設(shè)計(jì)及振動(dòng)夾具模態(tài)分析[J]. 民營(yíng)科技, 2009(2)：16-17.

[2] 奚德昌, 趙欽淼. 振動(dòng)臺(tái)及振動(dòng)試驗(yàn)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1985.

[3] 張志旭，朱學(xué)旺. 振動(dòng)夾具一階共振頻率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)識(shí)別[J]. 航天器環(huán)境工程，2009(26): 62-64.

[4] 何勝?gòu)?qiáng). 振動(dòng)夾具改進(jìn)方法探索[J]. 科技信息，2011(21)：41.

[5] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]. 南京:東南大學(xué)出版社，2002.

[6] 馮志華. 動(dòng)力子結(jié)構(gòu)理論在振動(dòng)模態(tài)分析中的應(yīng)用[J]. 蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 20(3): 11-15.

李新帥(1989-)，男，碩士，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

張華國(guó)(1973-)，男，助理工程師，主要從事通用機(jī)械設(shè)備維修工作。

鐘劍鋒(1967-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)大型陣面結(jié)構(gòu)、微波及T/R組件結(jié)構(gòu)研究。

帥立國(guó)(1968-)，男，博士生導(dǎo)師，主要從事觸覺系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)的研究。

劉國(guó)維(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Design of Vibration Fixture for a Radar Module

LI Xin-shuai1,2，ZHANG Hua-guo3，ZHONG Jian-feng2，SHUAI Li-guo1，LIU Guo-wei2

(1.MechanicalEngineeringCollege,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China；2.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China；3.NanyangCigaretteFactoryofHenanTobaccoIndustryCo.Ltd.,Nanyan473007,China)

With the increase of environmental suitability, especially the vibration performance for electronic products, vibration tests play a more and more important role in environmental trials of electronic products. Through simulations of various environmental vibration impacts during the process of transportation, installation and operation, it is determined whether the product can withstand various environmental vibrations and whether it can meet the actual operation requirements. The vibration fixture plays a significant role in the vibration tests and determines whether the vibration test is successful or not. In this paper the design of the vibration fixture is theoretically analyzed first. Then with the design process of the vibration fixture for a radar module as an example, the design method of software simulation and gradual optimization is put forward. The vibration fixture design experience is summarized at last to provide some reference for future vibration fixture design.

vibration; fixture; optimization

2014-01-03

TG75

A

1008-5300(2014)02-0023-03