大型振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)可靠性提升技術(shù)研究

胡佳，柴艷紅，李勇，朱士琦，魏鵬鵬

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

振動(dòng)工裝是用于連接振動(dòng)臺面與待振產(chǎn)品，并將振動(dòng)臺上的振動(dòng)力傳遞到待振產(chǎn)品上的一種工藝裝備，其性能直接影響到振動(dòng)試驗(yàn)的真實(shí)程度和可靠程度。為了將振動(dòng)臺的運(yùn)動(dòng)和能量不失真地傳遞給產(chǎn)品，振動(dòng)臺不僅要有好的強(qiáng)度和剛度，還要有較高的固有頻率。如果振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)不當(dāng)，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)工裝本身會產(chǎn)生共振，使產(chǎn)品承受不應(yīng)有的過大載荷而破壞，從而試驗(yàn)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，合理地設(shè)計(jì)大型振動(dòng)工裝是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研制過程中一項(xiàng)極其重要的工作[1-3]。

1 大型振動(dòng)工裝

某天線需開展正弦振動(dòng)試驗(yàn)(5Hz～100Hz)，要求振動(dòng)工裝總質(zhì)量控制在1t內(nèi)，基頻≥120Hz，滿足天線正弦振動(dòng)試驗(yàn)需求。工裝設(shè)計(jì)采取通用化、模塊化的方式，充分考慮其吊裝性、安全性等一系列指標(biāo)，所設(shè)計(jì)工裝的初步方案采用鋁合金型材焊接而成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 振動(dòng)工裝初步方案結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動(dòng)工裝模態(tài)分析

為了避免振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品和工裝之間產(chǎn)生耦合振動(dòng)，要求振動(dòng)工裝的基頻盡量落在試驗(yàn)頻率范圍之外。由于試驗(yàn)頻率帶寬較大，振動(dòng)工裝基頻要做到產(chǎn)品基頻的3倍及以上。通過對振動(dòng)工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，求解工裝基頻，可知工裝基頻為113Hz，低于指標(biāo)要求。因此，需對此工裝方案進(jìn)行改進(jìn)來提升工裝基頻。

對工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，前五階的共振頻率見表1。

表1 工裝的前五階共振頻率

3 振動(dòng)工裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 影響工裝基頻的因素

影響振動(dòng)工裝基頻的因素主要有兩個(gè)：質(zhì)量和剛度。工裝基頻與質(zhì)量、剛度的關(guān)系如下：

(1)

式中：p為系數(shù)；k為剛度；m為質(zhì)量。一般說來，結(jié)構(gòu)件剛度k越大，質(zhì)量m越小，其固有頻率即基頻會越高，但是要考慮結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止因強(qiáng)度不足，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件自身被振壞[4]。

3.2 改進(jìn)措施

1)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性

為提高振動(dòng)工裝結(jié)構(gòu)剛性，在底座立柱兩兩之間多添加了一組加強(qiáng)筋。另外，為增加焊縫長度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在底板每道焊縫處都增加了加強(qiáng)筋，以增強(qiáng)工裝可靠性，見圖2。此外，在基座立柱上添加了斜筋，以此增加基座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減小產(chǎn)品天線安裝面的振動(dòng)響應(yīng)值，保證振動(dòng)臺的振動(dòng)能正確地傳遞給產(chǎn)品。

圖2 修改前后的底座、基座結(jié)構(gòu)對比

對改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模態(tài)分析，前五階共振頻率見表2。由表2可知，在工裝底座及基座上添加了加強(qiáng)筋增加了結(jié)構(gòu)剛性后，工裝的基頻升至142Hz。

表2 第一次改進(jìn)后工裝的前五階共振頻率

2)減輕工裝質(zhì)量

由公式(1)可知，在保證結(jié)構(gòu)剛性的前提下，適當(dāng)對工裝減質(zhì)量，可以在一定程度內(nèi)提高工裝基頻。如圖3所示，通過在基座和底座底板上無安裝孔的位置挖減質(zhì)量孔，可大幅減輕工裝整體質(zhì)量。

對再次改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模態(tài)分析，見圖4。前五階共振頻率見表3。由表3可知，對振動(dòng)工裝進(jìn)行加強(qiáng)、減質(zhì)量處理后，工裝的基頻升至162Hz。

圖3 底座和基座上的減質(zhì)量孔

圖4 改進(jìn)后的模態(tài)分析圖

表3 第二次改進(jìn)后工裝的前五階共振頻率

3.3 工裝改進(jìn)后結(jié)果

改進(jìn)后的工裝結(jié)構(gòu)見圖5，尺寸為2.1m×1.6m×1.6m，總質(zhì)量933kg，底座和基座采用鋁合金型材焊接完成，兩者之間采用緊固件固定，基座單獨(dú)用于產(chǎn)品的周轉(zhuǎn)放置，仿真后基頻為162Hz。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，大型焊接工裝的實(shí)際基頻約為仿真值的75%～80%，預(yù)估得到工裝實(shí)際基頻約在125Hz左右，符合設(shè)計(jì)原則中要求總質(zhì)量<1t、基頻≥120Hz的要求，可進(jìn)行工裝投產(chǎn)。

圖5 改進(jìn)后的振動(dòng)工裝結(jié)構(gòu)示意圖

4 振動(dòng)工裝鑒定試驗(yàn)

4.1 綜述

工裝投產(chǎn)后，需對其開展鑒定試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性，試驗(yàn)方向定義見圖6，試驗(yàn)步驟見表4。只有在確認(rèn)振動(dòng)工裝在試驗(yàn)頻率內(nèi)無諧振或諧振對試驗(yàn)無影響，且傳遞率滿足要求，不影響受試產(chǎn)品的固有特性及其所感受應(yīng)力的情況時(shí)，方可認(rèn)為工裝可用[5]。

圖6 工裝方向定義

表4 試驗(yàn)流程

4.2 工裝鑒定試驗(yàn)

1)掃頻試驗(yàn)

掃頻是為了驗(yàn)證振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)工裝的共振情況，即得到工裝的共振頻率。由圖7可以看出，工裝在x、y、z三個(gè)方向的共振頻率分別是121.7Hz、122.6Hz、147.5Hz，與仿真得到的預(yù)估結(jié)果相差不大。

2)預(yù)振試驗(yàn)

預(yù)振試驗(yàn)時(shí)控制點(diǎn)放在產(chǎn)品與工裝的連接面上，是為了驗(yàn)證工裝向產(chǎn)品傳遞振動(dòng)的情況。對于大型工裝，在振動(dòng)時(shí)由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)必然無法100%傳遞振動(dòng)，一般都會響應(yīng)放大。由圖8可知在5Hz～100Hz的范圍內(nèi)控制曲線整體平穩(wěn)，且振動(dòng)響應(yīng)都在容差范圍之內(nèi)，說明工裝在x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)都在振動(dòng)臺的可控制范圍內(nèi)，工裝滿足使用需求。

3)振動(dòng)工裝鑒定級正弦振動(dòng)試驗(yàn)

鑒定級正弦振動(dòng)試驗(yàn)是為了模擬工裝帶載試驗(yàn)，驗(yàn)證在正式試驗(yàn)時(shí)工裝結(jié)構(gòu)、焊點(diǎn)、緊固件等一系列因素的可靠性。由圖9可知，x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)控制曲線都在容差范圍內(nèi)波動(dòng)，說明振動(dòng)臺可及時(shí)對工裝響應(yīng)進(jìn)行反饋調(diào)整，工裝情況良好，滿足正式試驗(yàn)使用需求。

4)振動(dòng)工裝復(fù)振試驗(yàn)

復(fù)振試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證工裝在經(jīng)過兩次預(yù)振試驗(yàn)及一次鑒定級正弦振動(dòng)試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)本身有無受到影響，見圖10，x、y、z3個(gè)方向的控制曲線全部都在容差范圍內(nèi)且平穩(wěn)波動(dòng)，可證明工裝結(jié)構(gòu)無損壞。

4.3 工裝鑒定試驗(yàn)結(jié)果分析

振動(dòng)工裝鑒定試驗(yàn)每個(gè)方向都進(jìn)行了4次試驗(yàn)，可歸納如下：掃工裝基頻—驗(yàn)證工裝傳遞率—模擬正式試驗(yàn)—驗(yàn)證工裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。流程綜合考慮整個(gè)試驗(yàn)過程，涵蓋了工裝工藝鑒定時(shí)各方面的情況，且4次試驗(yàn)的振動(dòng)控制曲線都在設(shè)定的±10%的容差范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足 “對于正弦掃頻或定頻振動(dòng)，保持在規(guī)定振幅的±10%以內(nèi)[6-7]”的工裝判定標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)定該工裝結(jié)構(gòu)合理，可進(jìn)行帶載試驗(yàn)。

5 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)適用于大型天線的振動(dòng)工裝，分析工裝設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，用有限元仿真對方案階段的工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提前了解工裝的基頻和薄弱點(diǎn)并對其進(jìn)行完善。工裝投產(chǎn)后，用試驗(yàn)驗(yàn)證的方式逆向證明了此大型振動(dòng)工裝設(shè)計(jì)方案階段關(guān)鍵點(diǎn)把握的準(zhǔn)確性、仿真數(shù)據(jù)的正確性，可為后續(xù)大型振動(dòng)工裝的設(shè)計(jì)提供參考。