某機載設(shè)備振動夾具設(shè)計及試驗驗證

王勇，寧會峰，杜尹學(xué)

(1. 蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州萬里航空機電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

飛行器、艦船、車輛等運載工具上的設(shè)備都在多種復(fù)雜的環(huán)境條件下運行。以飛機上的設(shè)備(簡稱機載設(shè)備)為例，工況中存在著機械振動、沖擊、噪聲、低氣壓、鹽霧等幾十種環(huán)境因素，這些因素會縮短產(chǎn)品的使用期限并降低其可靠性[1]。而其中的機械振動環(huán)境，由于其作用的持久性和所帶來后果的嚴(yán)重性，加上本身具有的復(fù)雜性，使其成為運行條件中相當(dāng)重要的一種使用環(huán)境[2]。由于不能在現(xiàn)場對產(chǎn)品開展真實的振動測試，為保證產(chǎn)品后期的正常交付使用，模擬振動試驗也就成為了一種評價結(jié)構(gòu)是否達(dá)到預(yù)定功能和可靠性的有效方法。在進行振動試驗時，被測試件常常通過振動夾具裝夾到試驗臺面上，作為傳遞能量和信號的關(guān)鍵部件，其裝夾的夾具性能會直接影響到試驗結(jié)果的有效性和真實性[3]。

傳統(tǒng)設(shè)計多依靠經(jīng)驗或者根據(jù)實際試驗結(jié)果對夾具進行多次返修，整個過程會造成人力和物力的不合理分配。本文根據(jù)某型號直線作動器(圖1)的外形結(jié)構(gòu)和實際使用時的安裝及工作狀態(tài)，從夾具的兩種不同結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，采用建模仿真與試驗驗證相結(jié)合的方式，設(shè)計了一款滿足試驗要求的振動夾具。

圖1 某型號直線作動器

1 振動夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則及材料選取

在振動試驗中，振動夾具的作用是將振動臺的能量通過機械連接不失真地傳遞給試件，并盡可能保證試件上各個點的振幅與振動臺一致。實際試驗的情況中這一點很難實現(xiàn)，只要傳遞誤差在可允許范圍內(nèi)，則可認(rèn)為夾具設(shè)計是合理的。試驗結(jié)果是否具有可信度與夾具的設(shè)計、制造以及安裝使用水平都是密不可分的[4]。

夾具設(shè)計原則是在滿足實際安裝條件的前提下，盡可能具有低的質(zhì)量和高的強度。結(jié)合夾具設(shè)計原則[5]，針對該型機載作動器，在設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾點：

1)夾具的1階固有頻率要盡量高于試驗頻率的最大值2000Hz；夾具的響應(yīng)特性要平坦，保證連接面上各點的響應(yīng)盡可能一致，實現(xiàn)振動輸入的均勻性。

2)夾具的質(zhì)量應(yīng)該在4kg～6kg范圍內(nèi)。為減少試件對振動臺的反共振，在不影響剛度和頻率的條件下，最大限度地降低夾具質(zhì)量。

3)夾具的橫向振動(垂直于激振方向的運動)應(yīng)盡量小。

4)結(jié)構(gòu)選用質(zhì)心低、對稱形式，方便產(chǎn)品的安裝以及與臺面的連接，能正確模擬試件的實際邊界條件。

5)夾具共振時，其品質(zhì)(放大)因數(shù)≤4，以保證夾具良好的振動傳遞特性。

為確保所設(shè)計夾具結(jié)構(gòu)的合理性以及具有良好的動態(tài)性能，應(yīng)該從夾具的剛度、質(zhì)量、固有頻率等特性參數(shù)方面進行研究。可從剛度K和質(zhì)量M入手，來提高夾具的固有頻率。因K正比于材料的彈性模量E，M正比于材料的密度ρ，因此應(yīng)該盡可能提高E/ρ的值。目前常見的夾具材料[6]物理特性如表1所示。

表1 夾具常用材料的物理特性參數(shù)

從表1可以看出，鎂、鋁合金與鋼的比剛度在數(shù)值上差別不是很大，從質(zhì)量角度出發(fā)，鋁合金密度較小，價格便宜，也更易于加工。因此本文夾具采用鋁合金。

1.2 不同加工方式下的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范中所要求的振動試驗條件以及振動夾具設(shè)計原則，在分析該型作動器外部結(jié)構(gòu)和試驗平臺性能的前提下進行了夾具結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計，擬采取兩種設(shè)計方案，如圖2所示。

圖2 鑄造和螺接兩種加工形式

方案一：整體結(jié)構(gòu)鑄造而成，底板上的沉頭孔用于固定夾具在臺面上，兩處凸臺部分用來固定產(chǎn)品的兩端。一處作為作動器接頭的安裝位置，該處凸臺的中間位置有長25mm、寬6mm、深度28mm的槽，其尺寸由接頭尺寸決定，安裝時將接頭放置在槽中，通過螺栓完成固定；第二處安裝位置不僅要中間開槽，為保證試驗過程中作動器能夠具有一個完整工作行程，還要考慮在兩側(cè)設(shè)計合理尺寸的滑槽。

方案二：夾具由獨立的4部分通過螺釘安裝到一起，其安裝試件位置的尺寸與方案一相同，與方案一相比不僅有更好的通用性，加工周期也短。

為了避免金屬間的直接摩擦，且有更好的支撐性，需要設(shè)計與滑槽尺寸相匹配的尼龍支撐套，通過螺釘與夾具完成裝配，如圖3所示。

圖3 尼龍支撐套及其安裝位置

2 模態(tài)分析與隨機振動分析

2.1 模態(tài)分析

在ANSYS Workbench中對夾具模型進行網(wǎng)格劃分以及后續(xù)的仿真分析。所選材料為ZL101合金，其材料特性為：E=7.0×1010N/m2；泊松比μ=0.33；密度ρ=2.68×103kg/m3。方案一夾具的網(wǎng)格劃分如圖4所示，有限元模型選擇四面體單元；對方案二的夾具結(jié)構(gòu)進行同樣操作。

圖4 夾具的網(wǎng)格劃分

將ZL101合金的相關(guān)物理參數(shù)賦予模型。由于高階模態(tài)的影響在產(chǎn)品實際工作中可以忽略不計，應(yīng)重點考慮產(chǎn)品低階模態(tài)對其振動響應(yīng)的影響[7]。通常分析前6階模態(tài)就可以滿足使用要求，兩種加工方式下振動夾具的前6階固有頻率見表2，前2階模態(tài)振型如圖5、圖6所示。

圖5 第1階與第2階模態(tài)振型(鑄造)

圖6 第1階與第2階模態(tài)振型(螺接)

表2 前6階固有頻率 單位：Hz

整體鑄造方式加工的夾具1階固有頻率2 219.1Hz，高于試驗要求的最高頻率2 000Hz；螺接形式下為1 872.8Hz，這個頻率在試驗頻率范圍內(nèi)可能會出現(xiàn)對輸入譜的不確定放大。由于單耳組件安裝位置處的尺寸較小，兩種結(jié)構(gòu)形式下模態(tài)振型都表現(xiàn)為y方向上的搖擺，并且越靠近頂端其振動位移越大?？紤]到后期裝配使用時,由于單耳安裝位置處銷軸、軸套以及螺母的固定能夠使得局部剛度變大，固有頻率也會相應(yīng)得到提升。通過求解總裝結(jié)構(gòu)的模態(tài)發(fā)現(xiàn)，其中鑄造成型的夾具1階固有頻率變?yōu)? 389.8Hz，相較之下提高了170.7Hz；最大變形減小了41.87%。

2.2 隨機振動分析

隨機振動分析是指以特定的功率譜密度(PSD)作為仿真分析的輸入條件，最終計算響應(yīng)特定值出現(xiàn)概率的一種分析方法，可用于在設(shè)計階段通過隨機振動仿真分析評估結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性[8]。振動試驗由功能試驗和耐久試驗兩部分組成。以功能試驗譜為例，試驗圖譜如圖7所示，量值表見表3。經(jīng)計算得加速度方均根理論值為4.949g。

圖7 振動試驗譜

表3 振動試驗量值表

加載如圖7所示的激勵譜，觀察夾具3個方向的變形；選取安裝位置處A點，如圖8所示，看該點響應(yīng)在要求頻率范圍內(nèi)的振動是否平穩(wěn)，對振動量級的放大效果是否在允許范圍內(nèi)。

圖8 響應(yīng)點選取

表4為響應(yīng)點A的3方向方均根值。從表4可看出，兩種形式下的響應(yīng)方均根值均在理論值附近。將鑄造加工時A點3個方向響應(yīng)譜的方均根值與理論值(4.949g)相比誤差更小，但響應(yīng)點處的方均根值并不能直接表征傳遞特性的優(yōu)異程度，還應(yīng)結(jié)合該點輸出的功率譜密度。通過比較兩種加工方式下A點的3方向響應(yīng)譜得出：鑄造加工形式下，該點的3方向響應(yīng)譜型更具有一致性，說明其振動輸出的均勻性較好，而且越靠近頻率中段，夾具的傳遞特性越好；當(dāng)夾具為螺接形式時，A點的3方向響應(yīng)譜均出現(xiàn)了不同程度的失真，尤其在試驗頻率中段，這是由于螺栓連接不能很好地限制各部件之間的相對運動。因此，在沒有裝夾被測試件的情況下，鑄造形式的夾具能夠做到將振動激勵平穩(wěn)、不失真地傳遞給試件。

表4 響應(yīng)點A的3方向方均根值

鑄造加工時，在隨機載荷下變形最大為0.001 2mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輸出端銷軸中間位置，3σ應(yīng)力大小為1.62MPa，說明在隨機振動中材料所受的最大應(yīng)力>1.62MPa的概率為0.27%，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限355MPa，夾具強度安全裕量較大，結(jié)構(gòu)滿足振動要求。響應(yīng)加速度最大值17.12g，與功率譜密度的方均根理論值(A0=4.949g)比值約為3.46，品質(zhì)因數(shù)Q<4，夾具設(shè)計也符合傳遞要求。

比較加速度響應(yīng)譜還可以發(fā)現(xiàn)，螺接形式的夾具A點處3個方向的響應(yīng)譜在頻率1 800Hz附近時均出現(xiàn)了對輸入不同程度的放大，最大值為67.563g，遠(yuǎn)超了規(guī)定的品質(zhì)因數(shù)要求。由于模態(tài)振型表現(xiàn)為該方向上的擺動，螺栓連接很難限制各部件間的相對運動，容易造成波形出現(xiàn)“毛刺”畸變。若存在工期限制或其他原因必須采取螺接形式的夾具，則可從配合面的精度等級和連接部分螺栓的預(yù)緊力兩個方面來改善其傳遞性能。

通過比對仿真結(jié)果可看出，鑄造形式的夾具結(jié)構(gòu)動態(tài)特性優(yōu)于螺接，強度也滿足使用要求。結(jié)合車間的加工水平，選定以鑄造完成夾具的加工。

3 加工與試驗

加工組裝完成的夾具如圖9所示。整體結(jié)構(gòu)呈對稱形式，其3個方向上的最大尺寸為316mm×195mm×107mm；夾具質(zhì)量5.66kg，質(zhì)心在豎直方向24.083mm處，靠近振動臺面。

圖9 組裝完成的振動夾具

夾具加工完成后，通過分布在安裝面上的沉頭螺栓實現(xiàn)與振動臺面之間的固定，并保證夾具底面與振動臺面的良好接觸，將被測作動器安裝到夾具上，如圖10所示。

圖10 y軸振動試驗安裝圖

根據(jù)該機載作動器的技術(shù)要求在某電動試驗臺完成試驗，通過安裝在試件上的加速度計傳感器反饋的功率譜密度驗證夾具設(shè)計的合理性。圖11所示綠色直線為理論譜線，藍(lán)色持續(xù)振蕩的為響應(yīng)譜線。從圖中可看出夾具在試驗頻率范圍內(nèi)能夠真實模擬試件的邊界條件并平穩(wěn)地傳遞振動信號，對振動量級的放大效果在±2σ范圍內(nèi)，同時響應(yīng)譜的加速度方均根值為4.969g，與理論值誤差為0.40%，夾具滿足使用要求[9](本刊為黑白印刷，相關(guān)疑問可咨詢作者)。

圖11 響應(yīng)點處的功率譜密度

4 結(jié)語

本文針對某機載作動器的邊界和試驗條件完成了夾具的建模，基于有限元仿真結(jié)果加工了夾具實物，隨后進行作動器的振動試驗，得出以下結(jié)論：

1)在工期不受限制及結(jié)構(gòu)允許時，小型直線作動機構(gòu)的夾具可優(yōu)先采用整體鑄造形式，其傳遞特性優(yōu)于螺接；

2)通過有限元仿真可在振動夾具設(shè)計過程中評估其動態(tài)特性，實際的試驗結(jié)果也驗證了該方法的科學(xué)性與真實性；

3)本文所設(shè)計的專用振動夾具，其質(zhì)量靠近約束范圍的上限值，而且底板的剛度余量充足，可在以后同類型夾具設(shè)計時引入優(yōu)化方法獲得相關(guān)尺寸的最優(yōu)組合。