一款振動試驗夾具的優(yōu)化設(shè)計

彭立曉

（天津航空機(jī)電有限公司，天津 300000）

振動試驗是航空航天和汽車電子零部件環(huán)境試驗項目之一。其中，振動夾具的設(shè)計與安裝對于振動試驗成功與否至關(guān)重要。如設(shè)計或安裝不合理，會出現(xiàn)產(chǎn)品在振動過程中過試驗或者欠試驗的情況。過試驗會導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障，造成產(chǎn)品成本增加。欠試驗會導(dǎo)致電子產(chǎn)品考核不足，存在廠外質(zhì)量問題風(fēng)險。因此，需對振動夾具的傳遞特性要求和解決方案進(jìn)行研究。本文針對振動試驗中常用的圓盤型夾具的傳遞特性進(jìn)行分析，找到影響圓盤型夾具傳遞特性的主要因素，并在試驗過程中進(jìn)行規(guī)范。通過仿真與試驗驗證，優(yōu)化后圓盤型夾具可以滿足試驗要求。該圓盤型夾具的優(yōu)化過程與結(jié)果及夾具的優(yōu)化與驗證方法可應(yīng)用于其他類型夾具設(shè)計。

1 問題描述

產(chǎn)品振動試驗中，一款電子產(chǎn)品在隨機(jī)振動試驗垂直方向中故障頻發(fā)。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品安裝點振動量值為試驗?zāi)繕?biāo)頻譜振動量值的4倍，產(chǎn)品存在過試驗問題。該產(chǎn)品安裝在圓盤夾具上進(jìn)行振動試驗，對圓盤夾具進(jìn)行傳遞特性測試，產(chǎn)品安裝點位置有明顯共振峰值，不滿足要求。振動夾具試驗現(xiàn)場，如圖1所示。

2 夾具設(shè)計原則與要求

振動夾具是使振動臺通過機(jī)械連接把力傳遞給試驗件，所以振動夾具的傳遞特性對于振動試驗的順利進(jìn)行至關(guān)重要[1]。

《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第16部分：振動試驗》（GJB150.16A—2009）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：試件在進(jìn)行振動試驗時，應(yīng)當(dāng)與其工作狀態(tài)保持一致；振動試驗采取的振動夾具應(yīng)該保證與其在工作過程中的固定形式一致，以等效地固定樣件并進(jìn)行試驗[2]。

夾具設(shè)計原則是在滿足實際安裝條件的前提下，盡可能具有低質(zhì)量和高強(qiáng)度。在具體設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾個方面[3-4]：

（1）振動夾具的模態(tài)頻率；

（2）通過表面處理，使夾具的底面達(dá)到較高的平面度，表面粗糙度達(dá)到1.6 μm；

（3）夾具材料優(yōu)先選用剛度/質(zhì)量比值大的，如鋁合金和鎂鋁合金，以提高固有頻率；

（4）振動夾具應(yīng)該根據(jù)振動臺合理設(shè)計，保證連接接近實際受力情況，便于安裝；

（5）振動夾具設(shè)計時要根據(jù)現(xiàn)有加工水平合理設(shè)計加工方案，縮短加工周期，降低加工價格；

（6）應(yīng)當(dāng)避免振動夾具對傳遞特性、允許的正交運動以及振動偏差進(jìn)行不合理放大；

（7）根據(jù)試件的振動試驗功率譜密度及其結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計合理的夾具結(jié)構(gòu)；

（8）埋頭帶臺肩沉孔是夾具與振動臺連接的首選連接孔，振動夾具盡量選用螺紋孔或者鋼絲螺套固定樣件。

美國桑地亞公司提出了以夾具共振頻率為基礎(chǔ)的夾具設(shè)計規(guī)范[5]。

3 夾具原狀態(tài)仿真與試驗驗證

原狀態(tài)夾具安裝方式如圖2所示。

3.1 夾具原狀態(tài)模態(tài)仿真

仿真時，約束方式如圖2所示。6個安裝點固定約束，材料為鋁合金7A04，彈性模量為65 GPa，泊松比為0.31，密度為2.85 kg·m-3。利用ANSYS進(jìn)行仿真分析得到模態(tài)頻率和模態(tài)振型，如圖3所示。

3.2 夾具原狀態(tài)振動臺正弦掃描測試

測試時，振動臺正弦掃頻20～2 000 Hz，正弦峰值為1g。從掃頻結(jié)果可知，圓盤夾具的第一階共振頻率為855 Hz。

3.3 夾具原狀態(tài)振動臺隨機(jī)振動測試

測試時，夾具利用6個M12螺栓安裝在垂直方向振動臺。掃頻振動條件為振動量值為6g，采用兩點平均控制方式。測試結(jié)果顯示，產(chǎn)品安裝點位置振動量值均方根值（有效值）達(dá)到23g。從振型看，可知圓盤夾具安裝點不足，導(dǎo)致圓盤夾具模態(tài)低，盤面振動水平均勻性差。需提高圓盤的約束剛度，增加夾具安裝點，外圈安裝8個安裝點，內(nèi)圈安裝4個安裝點，進(jìn)行仿真與試驗驗證[6-8]。

4 夾具安裝狀態(tài)優(yōu)化后仿真與試驗驗證

優(yōu)化后夾具安裝方式如圖4所示。

4.1 夾具安裝狀態(tài)優(yōu)化后模態(tài)仿真

約束方式如圖4所示，12個安裝點固定約束，其余條件與原狀態(tài)一致。利用ANSYS進(jìn)行仿真分析得到模態(tài)頻率和模態(tài)振型，結(jié)果如圖5所示。

4.2 夾具優(yōu)化后狀態(tài)振動臺正弦掃描測試

夾具優(yōu)化后狀態(tài)振動臺正弦掃描測試時，試驗條件同3.2，試驗結(jié)果為夾具在2 000 Hz以內(nèi)無明顯共振峰值，第一階共振頻率達(dá)到2 000 Hz以上。

4.3 夾具優(yōu)化后狀態(tài)振動臺隨機(jī)振動測試

夾具利用12個M12螺栓安裝在垂直方向振動臺，其他振動試驗條件與其余條件與原狀態(tài)一致。測試結(jié)果為產(chǎn)品安裝點位置振動量值均方根值（有效值）為6.1g，與參考譜一致[9]。從仿真與試驗結(jié)果可知：圓盤夾具優(yōu)化后振動量值與目標(biāo)譜一致，傳遞特性良好，滿足設(shè)計要求；圓盤在2 000 Hz以內(nèi)沒有大于2倍放大系數(shù)的共振峰值。

5 結(jié)語

本文基于振動試驗中發(fā)生的實際問題，通過產(chǎn)品三維模型的仿真分析，得到圓盤夾具共振頻率與振型，給出了優(yōu)化方向為增加螺釘約束和提高夾具剛度。經(jīng)過夾具的正弦掃頻試驗與隨機(jī)振動測試對比，得到夾具產(chǎn)品安裝點與目標(biāo)譜一致，且共振頻率大于2 000 Hz，滿足夾具的設(shè)計要求，后進(jìn)行振動試驗產(chǎn)品通過了振動考核。